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DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE INSPEÇÃO POR TÉCNICAS
RADIOGRÁFICAS NA ANÁLISE DE PERDA DE ADESÃO EM DUTOS
COMPÓSITOS
Davi Ferreira de Oliveira
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Nuclear, COPPE,
da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Doutor em Engenharia Nuclear.
Orientador: Ricardo Tadeu Lopes
Rio de Janeiro
Dezembro de 2010
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ii
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE INSPEÇÃO POR TÉCNICAS
RADIOGRÁFICAS NA ANÁLISE DE PERDA DE ADESÃO EM DUTOS
COMPÓSITOS
Davi Ferreira de Oliveira
TESE SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ
COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM
CIÊNCIAS EM ENGENHARIA NUCLEAR.
Examinada por:
________________________________________________
Prof. Ricardo Tadeu Lopes, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Edgar Francisco Oliveira de Jesus, D.Sc.
________________________________________________
Prof. João Marcos Alcoforado Rebello, D.Sc.
________________________________________________
Dr. Sérgio Damasceno Soares, D.Sc.
________________________________________________
Prof. Hugo Reuters Schelin, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
DEZEMBRO DE 2010
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iii
Oliveira, Davi Ferreira de
Desenvolvimento de Sistema de Inspeção por
Técnicas Radiográficas na Análise de Perda de Adesão em
Dutos Compósitos/Davi Ferreira de Oliveira. – Rio de
Janeiro: UFRJ/COPPE, 2010.
XII, 129 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Ricardo Tadeu Lopes
Tese (doutorado) – UFRJ/ COPPE/ Programa de
Engenharia Nuclear, 2010.
Referencias Bibliográficas: p. 125-129.
1. Radiografia Computadorizada. 2. Radiografia
Industrial. 3. Dutos Compósitos. I. Lopes, Ricardo Tadeu.
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE,
Programa de Engenharia Nuclear. III. Título.
iv
Este trabalho é dedicado aos meus pais
À minha esposa e ao meu filho.
v
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais, Ironival e Maria Helena, pelo carinho e incentivo, por todo o apoio e
suporte que me deram durante toda a minha vida, sendo imprescindíveis para que eu
chegasse até aqui.
À minha esposa Helena, minha Ursa querida, obrigado pelo carinho, pelo
companheirismo e pela amizade, por estar sempre ao meu lado desde o início, me
apoiando nas minhas decisões e entendendo os sacrifícios de ficarmos distantes quando
tenho que viajar (pode reclamar, mas só um pouco). Obrigado por ter me ajudando a
chegar até aqui. Love you Bear!!!
Ao meu filho Gabriel, por ser o excelente garoto que é, me apoiando
incondicionalmente e me alegrando quando estou de mau humor, compreendendo
minhas ausências apesar de algumas reclamações. Te amo Bill.
Aos demais familiares, principalmente minhas avós e meu avô, pelo carinho e incentivo
durante toda a jornada.
À minha querida amiga Aline, com que tenho a felicidade de dividir o mesmo espaço
durante tanto tempo. Muito obrigado pelo apoio, pela colaboração nos trabalhos e
também por me perturbar todos os dias (sinto falta quando isso não acontece). Muito
obrigado pelas brincadeiras e pelas conversas sérias, pelo carinho e pela confiança.
Ao grande amigo Joseilson, camarada desde que começamos a graduação, obrigado
pelo incentivo e cooperação e pela amizade de todos os momentos.
Aos demais amigos que sempre estiveram ao meu lado nos momentos bons e ruins,
sempre dispostos a ajudar não importando o que aconteça.
vi
Aos funcionários e amigos do Laboratório de Instrumentação Nuclear: o correto seria
agradecer individualmente a cada um de vocês, porém receio me esquecer de mencionar
alguém. De qualquer forma, muito obrigado por toda a colaboração e apoio aos
trabalhos executados, pela confiança que sempre depositaram em mim e principalmente
pela amizade durante esses anos que convivo com vocês. Vocês são muito especiais
para mim.
Aos demais amigos do Laboratório de Instrumentação Nuclear que de alguma forma
contribuíram para a execução deste trabalho.
Aos amigos Rômulo e Marcos Paulo do LNDC pela ajuda na realização dos ensaios
deste trabalho.
Ao meu orientador, Prof. Ricardo Tadeu Lopes, pela confiança que sempre teve no meu
trabalho, por todas as oportunidades que me deu durante esses anos, pelo apoio e pela
contribuição para a minha formação profissional, mas principalmente por ter ser tornado
um grande amigo.
Aos funcionários do Programa de Engenharia Nuclear/COPPE pela colaboração e
suporte.
Ao CENPES/Petrobras e à empresa Ameron International pela oportunidade de
realização do projeto.
Aos amigos Heleno Simões e Edson Vasques por toda a ajuda e cooperação nos
trabalhos que realizamos juntos.
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e à
Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro
(FAPERJ) pelo apoio financeiro.
vii
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE INSPEÇÃO POR TÉCNICAS
RADIOGRÁFICAS NA ANÁLISE DE PERDA DE ADESÃO EM DUTOS
COMPÓSITOS
Davi Ferreira de Oliveira
Dezembro/2010
Orientador: Ricardo Tadeu Lopes
Programa: Engenharia Nuclear
Neste trabalho foi estudada a viabilidade do emprego da técnica de radiografia
computadorizada (RC) na detecção de descontinuidades no adesivo polimérico
empregado na união entre trechos de dutos com matriz de resina epóxi com reforço em
fibra de vidro, desenvolvendo ainda um padrão para avaliação da sensibilidade
radiográfica. Os testes foram realizados em laboratório, em corpos de prova de
diferentes diâmetros, com vários tipos de descontinuidades na região do adesivo,
comparando os resultados obtidos com as imagens de radiografia convencional. Após a
validação, foram executadas radiografias com a técnica de RC em um circuito
hidráulico para verificar a detectabilidade de descontinuidades para juntas com a
presença de fluido no interior da tubulação, simulando uma condição de funcionamento.
Foram realizados ainda ensaios radiográficos adicionais inserindo elementos no adesivo
que atuam como agentes de contraste e utilizando a técnica de magnificação, utilizando
uma fonte de raios X de microfoco. Os resultados obtidos com a técnica de RC
mostraram as mesmas indicações que as imagens de radiografia convencional, com
redução da exposição em até 85%. Os resultados das imagens do circuito hidráulico
mostram que é possível detectar defeitos mesmo com a presença de fluidos na
tubulação, sendo de grande importância para a inspeção de dutos em funcionamento.
viii
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Science (D.Sc.)
DEVELOPMENT OF INSPECTION SYSTEMS USING RADIOGRAPHY
TECHNIQUES TO ANALYZE THE LOSS OF ADHESION IN COMPOSITE
PIPELINES
Davi Ferreira de Oliveira
December/2010
Advisor: Ricardo Tadeu Lopes
Department: Nuclear Engineering
The present study aims to evaluate the feasibility of employing Computed
Radiography (CR) to detect discontinuities in polymeric adhesive that is used for
joining together pipeline segments made of epoxy resin and reinforced with fiber glass.
A pattern to evaluate the radiographic sensitivity was also developed. Laboratory tests
were performed in samples of different diameters containing several kinds of
discontinuities in the adhesive area, and the results of such tests were compared with the
image results obtained through conventional radiography. After the validation process,
CR radiographies were performed on a hydraulic circuit in order to assess the
detectability of discontinues of certain joints containing fluid aiming to simulate real
working conditions. In addition, other radiographic tests were made by inserting certain
elements in the adhesive. Such elements should work as contrast agents. The
magnification technique was also employed, which was achieved by a micro-focus X-
Ray source. The results obtained through CR show the same indications presented in
conventional radiography, with a reduction of exposure up to 85%. The images of the
hydraulic circuit show that it is possible to detect defects despite the presence of fluids
in the pipelines, which is significantly important in the inspection of operational
pipelines.
ix
ÍNDICE
CAPÍTULO 1.................................................................................................................. 1
INTRODUÇÃO ................................................................................1
CAPÍTULO 2.................................................................................................................. 5
FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................5
2.1 – PROCESSO RADIOGRÁFICO.................................................................. 5
2.1.1 – Formação da Imagem Radiográfica.......................................................... 5
2.1.2 – Interação da Radiação Eletromagnética com a Matéria............................ 7
2.1.2.1 – Absorção Fotoelétrica ......................................................................... 7
2.1.2.2 – Espalhamento Compton...................................................................... 9
2.1.2.3 – Produção de pares ............................................................................. 11
2.1.3 – Equipamentos de Raios X....................................................................... 13
2.1.3.1 – Tubo de Vidro................................................................................... 14
2.1.3.2 – Catodo............................................................................................... 14
2.1.3.3 – Anodo................................................................................................ 16
2.1.4 – Produção de Raios X .............................................................................. 17
2.1.4.1 – Espectro Contínuo............................................................................. 17
2.1.4.2 – Espectro Característico ..................................................................... 18
2.2 – RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA .............................................. 19
2.2.1 – Estrutura Física da Placa de Fósforo ...................................................... 20
2.2.2 – Funcionamento das Placas de Fósforo.................................................... 21
2.2.3 – Eficiência de Absorção de Raios X na Placa de Fósforo........................ 23
2.2.4 – Curva de Sensibilidade ........................................................................... 24
2.3 – PROCESSOS DE AQUISIÇÃO DA IMAGEM ....................................... 25
2.3.1 – Leitor da Radiografia Computadorizada ................................................ 25
2.3.1.1 – Leitura da Placa de Fósforo .............................................................. 27
2.3.1.2 – Detecção e Conversão do Sinal Fotoestimulado............................... 29
2.3.1.3 - Digitalização do Sinal Fotoestimulado.............................................. 32
2.3.2 – Imagem Radiográfica Digital ................................................................. 33
2.3.3 – Qualidade da Imagem............................................................................. 34
2.3.3.1 – Resolução Espacial ........................................................................... 34
2.3.3.2 – Resolução em Contraste.................................................................... 36
x
2.3.3.2.1 – Contraste do Sujeito ................................................................... 36
2.3.3.2.2 – Contraste da Imagem ................................................................. 37
2.3.3.2.3 – Fatores que Afetam o Contraste ................................................ 38
2.3.3.2.4 – Energia do Feixe de Radiação ................................................... 39
2.3.3.4 – Ruídos ............................................................................................... 40
2.3.3.4.1 – Ruído de Quanta nos Raios X .................................................... 40
2.3.3.4.2 – Ruído de Luminescência............................................................. 40
2.3.3.4.3 – Ruído da Estrutura da Placa de Fósforo ................................... 41
2.3.3.4.4 – Ruído de Quantização ................................................................ 41
2.3.3.4.5 – Ruído Eletrônico ........................................................................ 41
2.3.3.3 – Razão Sinal-Ruído (SNR)................................................................. 42
2.4 – PROCESSAMENTO DA IMAGEM ........................................................ 42
2.4.1 – Restauração/Realce................................................................................. 44
2.4.2 – Segmentação........................................................................................... 44
2.4.3 – Extração de Atributos ............................................................................. 44
2.4.4 – Operações Pontuais................................................................................. 45
2.4.5 – Operações Locais.................................................................................... 46
2.4.6 – Operações Globais.................................................................................. 47
2.5 – MATERIAIS COMPÓSITOS ................................................................... 47
2.5.1 – Matriz Polimérica ................................................................................... 48
2.5.2 – Sistemas de Dutos Compósitos............................................................... 50
2.5.3 – Resina Epóxi........................................................................................... 51
2.5.4 – Reforço ................................................................................................... 52
2.5.5 – Fibras de Vidro ....................................................................................... 53
2.5.6 – Fabricação de Materiais Compósitos de Matriz Polimérica................... 53
2.5.6.1 – Laminação Manual (“Hand-lay-up”) ............................................... 54
2.5.6.2 – Enrolamento Filamentar (“Filament Winding”) .............................. 54
2.6 – Radiografia em Dutos Compósitos............................................................ 56
2.6.1 – Juntas coladas....................................................................................... 57
2.6.2 – Acoplamentos mecânicos..................................................................... 57
CAPÍTULO 3................................................................................................................ 58
MATERIAIS E MÉTODOS..............................................................58
3.1 – CORPOS DE PROVA............................................................................... 58
xi
3.2 – INDICADORES DE QUALIDADE DE IMAGEM (IQI) ........................ 63
3.2.1 – Resolução Espacial ................................................................................. 63
3.2.2 – Sensibilidade........................................................................................... 66
3.3 – ENSAIOS RADIOGRÁFICOS................................................................. 67
3.4 – ENSAIOS COM CONTRASTE................................................................ 69
3.5 – ENSAIOS COM MAGNIFICAÇÃO ........................................................ 70
3.6 – CIRCUITO HIDRÁULICO....................................................................... 71
CAPÍTULO 4................................................................................................................ 74
RESULTADOS ..............................................................................74
4.1 – CORPOS DE PROVA DE 16 POLEGADAS........................................... 74
4.1.1 – Determinação da Resolução Espacial..................................................... 74
4.1.2 – Detecção de Defeitos .............................................................................. 76
4.2 – CORPOS DE PROVA DE 4 POLEGADAS............................................. 91
4.2.1 – Determinação da Resolução Espacial..................................................... 91
4.2.2 – Ensaios de Detecção de Defeitos............................................................ 93
4.3 – TESTES COM CONTRASTE .................................................................. 98
4.4 – ENSAIOS COM MAGNIFICAÇÃO ...................................................... 101
4.5 – ENSAIOS NO CIRCUITO HIDRÁULICO............................................ 107
4.5.1 – Determinação da Resolução Espacial................................................... 107
4.5.2 – Ensaios de Detecção de Defeitos.......................................................... 108
CAPÍTULO 5.............................................................................................................. 122
CONCLUSÕES E SUGESTÕES .....................................................122
5.1 - CONCLUSÕES........................................................................................ 122
5.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS................................... 123
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ...............................................125
xii
LISTA DE SÍMBOLOS
BSR Basic Spatial Resolution – Resolução Espacial Básica
GRE Glass Reiforced Epoxi – Fibra de Vidro Reforçada com Epóxi
IP Image Plate
IQI Indicador de Qualidade de Imagem
PDVS Parede Dupla Vista Simples
PMT Photomultiplier – Fotomultiplicadora
PSL Photoestimulable Luminescence – Luminescência Fotoestimulada
PSP Photoestimulable Phosphor – Fósforo Fotoestimulável
PSVS Parede Simples Vista Simples
RC Radiografia Computadorizada
SNR Signal to Noise Ratio – Razão Sinal Ruído
SNR
N
Normalized Signal to Noise Ratio – Razão Sinal Ruído Normalizada
1
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A utilização de materiais compósitos na indústria do petróleo foi muito evidente
na última década, após cerca de 35 anos de serviço satisfatório na industria aeroespacial
e de transporte. A produção offshore tem solicitado esse esforço para permitir a seleção
de compósitos como uma alternativa econômica ao padrão em materiais metálicos.
Materiais compósitos têm se mostrado uma boa opção na seleção de materiais de
engenharia devido a fatores relacionados a algumas de suas propriedades como
resistência mecânica e à corrosão, baixo peso e alta durabilidade. Todavia, assim como
as ligas metálicas, os materiais compósitos precisam ser inspecionados durante sua vida
útil, seja na fabricação ou em serviço.
Na indústria petrolífera não é diferente, e o uso dos compósitos é cada vez mais
comum, principalmente no transporte de fluidos utilizando dutos (pipes). Dentro deste
âmbito, a PETROBRÁS utiliza dutos com matriz de resina epóxi reforçados com fibra
de vidro, fabricados principalmente pela empresa AMERON com diâmetros variados
transportando óleo a temperatura de 60ºC.
As conexões entre os vários trechos destes dutos são feitas por juntas
denominadas “ponto e bolsa” (Quick-lock Joint – AMERON) onde a extremidade de um
dos dutos, que tem uma certa conicidade, é introduzida no duto subseqüente, também
apresentando conicidade, mas de diâmetro um pouco maior e são unidos por um adesivo
polimérico específico para este tipo de junção e temperatura de operação.
Em juntas coladas, em geral, os defeitos com maior possibilidade de ocorrer, são
as porosidades, trincas e falta de adesivo (vazios). Na interface entre o adesivo e as
superfícies a serem coladas, caso existam substâncias estranhas como graxas ou óleos
haverá contato, mas não haverá resistência (aderência entre as superfícies). O defeito
mais freqüente em sistemas utilizando dutos em polímero reforçado com fibra de vidro
se concentra na falta de adesivo, descolamento ou delaminações em juntas coladas, que
2
podem ser detectadas por vazamento na fase de ensaio hidrostático ou somente, quando
a falta de adesivo não é completa, em operação devido às vibrações induzidas, que
fazem as regiões com quantidade de adesivo abaixo do recomendado, vir a falharem. A
maioria das falhas em serviço dos sistemas em materiais compósitos origina-se de erros
cometidos na fase de montagem. A importância do fato mostra a necessidade de se
dispor de ferramentas de avaliação que permitam, além da detecção, a formação de
banco de dados para qualificação de projetos e procedimento de montagem destes
sistemas.
A ocorrência de descolamentos ou perda de adesão do adesivo pode gerar perdas
de pressão na linha, vazamentos de óleo ou contaminação do mesmo podendo ocasionar
prejuízos na produtividade, danos ambientais e até acidentes com perdas de vidas
humanas; fazendo com que o estabelecimento de métodos para inspecionar e avaliar a
integridade e qualidade do adesivo seja uma necessidade urgente.
Devido ao alto custo e dificuldades de se interromper a produção para inspeções
e reparos, a aplicação de métodos não destrutivos de inspeção se torna uma exigência,
principalmente porque pode ser feita em campo sem a necessidade de interrupções no
serviço.
Com isso, há uma grande preocupação em obter técnicas confiáveis de inspeção
nestes materiais. Existe, na atualidade, uma gama de ensaios não destrutivos, muitos
deles usados na indústria petrolífera; porém, poucos se destacam na caracterização de
materiais compósitos e poliméricos nas configurações descritas acima. Dentre eles,
pode-se citar ensaios como ultra-som (US), radiografia (RX), termografia e emissão
acústica (EA).
A radiografia tem como vantagem a documentação em filmes que podem ser
analisados e armazenados de maneira definitiva. Os filmes podem ser anexados aos
resultados das inspeções facilitando o acesso, na necessidade de revisão ou consulta
posterior da inspeção. Na radiografia é registrado um mapa de densidades do objeto
inspecionado, sendo capaz de detectar pequenos defeitos, dependendo do detector
utilizado.
3
O objetivo deste trabalho foi desenvolver a técnica de radiografia
computadorizada para ser utilizada como ferramenta de inspeção em juntas coladas de
dutos de compósitos de resina epóxi reforçado com fibra de vidro.
Neste trabalho, desenvolveram-se técnicas de inspeção por radiografia
computadorizada, correlacionando os resultados com os obtidos com radiografia
convencional, técnica utilizada na atualidade na detecção de descontinuidades em juntas
coladas. Foram determinados os parâmetros radiográficos mais indicados para as
inspeções, como tensão, corrente e tempo de exposição, além da determinação do
detector ideal para a aplicação. Para isso, foram levados em consideração os parâmetros
de qualidade de imagem para radiografia computadorizada, como Resolução Espacial
Básica e Razão Sinal Ruído Normalizada.
No desenvolvimento deste trabalho, propôs-se um padrão para avaliar a
sensibilidade radiográfica, que até o momento não é normalizado nas inspeções em
juntas coladas de materiais compósitos.
Devido a dificuldade de detectar a falta de adesivo pelas técnicas radiográficas
convencionais, foram realizados ensaios com a utilização de agentes de contraste,
adicionado ao adesivo. Esta técnica já foi anteriormente testada, mas poucos estudos
foram conduzidos nesse sentido. Outra técnica estudada nesse trabalho, visando
melhorar a detectabilidade dos defeitos, é a técnica de radiografia com magnificação,
utilizando fontes de radiação de pequeno tamanho focal (da ordem de microns).
No capítulo 2 será relatado o processo de formação da imagem radiográfica, o
funcionamento de equipamentos de radiografia computadorizada, processamento de
imagem, além da descrição de materiais compósitos e seus componentes, sua utilização
na fabricação de dutos e o uso da radiografia para a sua inspeção, ou seja, todo o
embasamento teórico para a compreensão do tema do trabalho.
No capítulo 3 serão descritos os procedimentos experimentais e os equipamentos
e materiais utilizados para a realização do trabalho.
4
Nos capítulos 4 e 5 serão apresentados, respectivamente os resultados obtidos e
as conclusões acerca do tema.
5
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1 – PROCESSO RADIOGRÁFICO
A radiografia é um método usado para inspeção não destrutiva que se baseia na
absorção diferenciada da radiação penetrante pela peça que está sendo inspecionada.
Devido às diferenças na densidade e variações na espessura do material, ou mesmo
diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do
material, diferentes regiões de uma peça absorverão quantidades diferentes da radiação
penetrante. Essa absorção diferenciada da radiação poderá ser detectada através de um
filme, ou através de um tubo de imagem ou mesmo medida por detectores eletrônicos de
radiação. Essa variação na quantidade de radiação absorvida, detectada através de um
meio, irá nos indicar, entre outras coisas, a existência de uma falha interna ou defeito no
material (ANDREUCCI, 2009).
2.1.1 – Formação da Imagem Radiográfica
Quando se considera uma fonte emissora, a intensidade da radiação
eletromagnética que atravessa um objeto decrescerá exponencialmente com a espessura
do mesmo, de acordo com a equação 2.1.
I = I
0
(E).exp(-µ(E)x ) (2.1)
onde,
E é a energia da radiação incidente;
I
0
é a intensidade da fonte de radiação;
I é a intensidade da radiação após atravessar o material;
x é a espessura do material;
µ é o coeficiente total de absorção do material.
6
O coeficiente de absorção total é definido como a soma dos coeficientes
representados pelos processos de absorção da radiação pela matéria, ou seja, efeito
fotoelétrico, espalhamento Compton e produção de pares, µ
f
, µ
c
e µ
p
, indicando
respectivamente, a probabilidade de ocorrência dos fenômenos mencionados. Dessa
forma, diferenças na densidade e variações na espessura do material, ou mesmo
diferenças nas características de absorção causadas por variações na composição do
material terão como conseqüência uma variação na intensidade do feixe transmitido,
que dependerá da natureza do objeto e da energia da fonte de radiação. Dessa forma
uma descontinuidade existente aparecerá no detector devido à variação entre as
intensidades da radiação que passa através da parte homogênea do corpo e através da
descontinuidade, como mostra a Figura 2.1 .
Figura 2.1 – Processo Radiográfico.
A diferença entre os coeficientes de absorção da radiação no material e na
descontinuidade aumenta com o aumento entre a diferença das densidades do objeto
com e sem descontinuidade, e dessa forma, a sensibilidade desse método é diretamente
proporcional à densidade do objeto e inversamente proporcional à da descontinuidade.
O coeficiente de absorção varia inversamente com a energia (efeito fotoelétrico e
Compton), e, portanto, haverá perda de sensibilidade para fontes de energias mais altas.
7
2.1.2 – Interação da Radiação Eletromagnética com a Matéria
Apesar de um grande número de possíveis mecanismos de interação da radiação
eletromagnética com a matéria ser conhecidos, apenas os três tipos mais importantes
serão apresentados nesta seção: absorção fotoelétrica, espalhamento Compton e
produção de pares. Todos estes processos consistem na transferência parcial ou
completa da energia do fóton para a energia do elétron. Estes resultam em mudanças
súbitas e abruptas na trajetória do fóton, onde este pode desaparecer inteiramente ou ser
espalhado em um ângulo significativo (KNOLL, 2000).
2.1.2.1 – Absorção Fotoelétrica
No processo de absorção fotoelétrica, o fóton interage com um átomo
absorvedor, onde o fóton desaparece completamente. Em seu lugar, um fotoelétron
energético é ejetado pelo átomo de uma de suas camadas eletrônicas. A interação
acontece com o átomo como um todo e não pode ocorrer para elétrons livres. Para
fótons com energia suficiente, a origem mais provável de fotoelétrons é a camada mais
fortemente ligada ou camada K do átomo. O fotoelétron aparece com energia dada pela
equação 2.2 (KNOLL, 2000).
E
c
=h
ν
-E
b
(2.2)
Onde E
b
representa a energia de ligação do elétron em sua camada original. Para
fótons com energias maiores que algumas centenas de keV, o fotoelétron carrega
consigo a maioria da energia original do fóton.
8
A Figura 2.2 mostra a representação esquemática do efeito fotoelétrico.
Figura 2.2 – Absorção Fotoelétrica (TAUHATA et al., 2003).
Adicionalmente ao fotoelétron, a interação cria ainda um átomo absorvedor
ionizado com vacância em uma de suas camadas eletrônicas. Essa vacância é
rapidamente preenchida através da captura de um elétron livre do meio e/ou o rearranjo
de elétrons de outras camadas do átomo. Além disso, um ou mais raios X característicos
podem também ser gerados, entretanto na maioria dos casos esses fótons de raios X são
reabsorvidos próximos a sua origem através de absorção fotoelétrica envolvendo
camadas eletrônicas menos ligadas.
O processo de absorção fotoelétrica é o modo de interação predominante para
fótons de baixa energia relativa. O processo é ainda reforçado para materiais
absorvedores de alto número atômico Z. Não há uma expressão analítica válida para a
probabilidade de absorção fotoelétrica por átomo para toda a faixa de energias e
números atômicos, porém a aproximação grosseira é mostrada na equação 2.3
(KNOLL, 2000).
5,3
n
E
Z
constante×≅τ
(2.3)
9
Onde o expoente n varia entre 4 e 5 para a região de interesse de energia de
fótons. Essa severa dependência da probabilidade da absorção fotoelétrica com o
número atômico do absorvedor é a razão primária para a preponderância de materiais de
alto Z em blindagens para fótons (KNOLL, 2000).
2.1.2.2 – Espalhamento Compton
O processo de interação de espalhamento Compton ocorre entre o fóton
incidente e um elétron no material absorvedor. Este é o mecanismo de interação
predominante para energias de fótons típicos de fontes de radioisótopos.
No espalhamento Compton, o fóton incidente é desviado sob um ângulo θ da
direção original. O fóton transfere parte de sua energia ao elétron (assumindo que está
inicialmente em repouso), que passa a ser chamado de elétron de recuo. Como todos os
ângulos de espalhamento são possíveis, a energia transferida para o elétron pode variar
de zero até grandes frações da energia do fóton (KNOLL, 2000).
A figura 2.3 mostra a ilustração do espalhamento Compton.
Figura 2.3 – Espalhamento Compton (TAUHATA et al., 2003).
10
A expressão que relaciona a transferência de energia e o ângulo de espalhamento
para qualquer interação pode ser simplesmente derivada escrevendo equações
simultâneas para a conservação de energia e momento, como mostra a equação 2.4.
( )
θ
cos11
2
0
'
−+
=
cm
hv
hv
hv (2.4)
Onde m
0
c
2
é a energia de repouso do elétron (0,511 MeV). Para pequenos
ângulos de espalhamento θ, pouca energia é transferida. Parte da energia original é
sempre retida pelo fóton incidente, mesmo no extremo θ = π.
A probabilidade de espalhamento Compton por átomo do absorvedor depende
do número de elétrons disponíveis como alvos de espalhamento e assim aumenta
linearmente com Z.
A distribuição angular do fóton espalhado é predita pela fórmula de Klein-
Nishina para seção de choque diferencial de espalhamento dσ/dΩ, como mostra a
equação 2.5 (KNOLL, 2000).
( )
( )
( )
( )
[ ]
−++
−
+
+
−+
=
Ω
θαθ
θαθ
θα
σ
cos11cos1
cos1
1
2
cos1
cos11
1
2
2
22
2
2
0
Zr
d
d
(2.5)
Onde α ≡ hν/m
0
c
2
e r
0
é o raio clássico do elétron. A distribuição é mostrada
graficamente na figura 2.4 e ilustra a forte tendência do espalhamento para frente para
altos valores de energia do fóton.
11
Figura 2.4 – Seção de choque diferencial de espalhamento Compton (KNOLL, 2000)
2.1.2.3 – Produção de pares
Se a energia do fóton excede o dobro da energia de repouso do elétron (1,02
MeV), o processo de produção de pares é energeticamente possível. A probabilidade
dessa interação permanece muito baixa até a energia do fóton se aproximar de vários
MeV e assim a produção de pares está predominantemente confinada a fótons de altas
energias. Na interação (que acontece no campo coulombiano do núcleo), o fóton
desaparece e é substituído por um par elétron-pósitron. A figura 2.5 ilustra esse
processo (KNOLL, 2000).
Figura 2.5 – Produção de Pares (TAUHATA et al., 2003).
12
Todo o excesso de energia contida no fóton acima dos 1,02 MeV necessários
para criar o par se transforma em energia cinética compartilhada pelo elétron e pelo
pósitron. Como o pósitron irá subseqüentemente se aniquilar após entrar em um meio
absorvedor, dois fótons de aniquilação são normalmente produzidos como produtos
secundários da interação.
Não existe uma simples expressão para a probabilidade de produção de pares por
núcleo, porém sua magnitude varia aproximadamente com o quadrado do número
atômico do absorvedor.
A importância relativa dos três processos descritos anteriormente para diferentes
materiais absorvedores e energias do fóton são ilustradas na figura 2.6. A linha a
esquerda representa a energia que a absorção fotoelétrica e o espalhamento Compton
são igualmente prováveis em função do número atômico do absorvedor. A linha a
direita representa a energia que o espalhamento Compton e a produção de pares são
igualmente prováveis. Assim três áreas são definidas no gráfico onde a absorção
fotoelétrica, o espalhamento Compton e a produção de pares predominam em cada
(KNOLL, 2000).
Figura 2.6 – Importância relativa dos três principais processos de interação (KNOLL,
2000
).
13
2.1.3 – Equipamentos de Raios X
Os equipamentos de raios X são aparelhos que emitem radiação X quando
energizados, segundo uma tensão e uma corrente estabelecida pelo usuário. Os
aparelhos de raios X são classificados de acordo com a sua potência e com as aplicações
para as quais são projetados. Para fins industriais, podem-se encontrar equipamentos
que emitem raios X com energias variando entre 10 a 800 keV. Nesta sessão, serão
apresentadas as principais características dos equipamentos de raios X, assim como seus
principais componentes, que podem ser vistos na Figura 2.7.
Figura 2.7 – Esquema de um equipamento de raios X.
Os raios X são gerados dentro de uma ampola especial de vidro. O tubo fica
inserido dentro de um cabeçote, envolto num óleo especial. Este óleo serve como
isolante eletrostático e como dissipador de calor da ampola. O cabeçote possui um
revestimento de chumbo para blindar a radiação que não contribui diretamente na
formação da imagem. No cabeçote há uma janela que permite a passagem do feixe de
raios X. O tubo de raios X é basicamente composto por uma carcaça de vidro, o anodo e
catodo (filamento). Na Figura 2.8 pode-se ver a ilustração de um tubo de raios X e seus
principais componentes.
14
Figura 2.8 – Ampola de raios X (ANDREUCCI, 2003).
2.1.3.1 – Tubo de Vidro
O tubo de vidro é a parte exterior do tubo de raios X, constituída de um vidro
especial, o qual deve atender a uma série de requisitos, conforme a seguir:
a) possuir boa resistência mecânica;
b) possuir boa resistência a variação da temperatura;
c) possuir boa vedação, para manter o alto vácuo;
d) possuir bom isolamento de alta tensão;
e) ter transparência à radiação X;
f) ser quimicamente estável, de modo que a passagem da radiação X não
modifique suas características;
g) possibilitar solda com metais das conexões (catodo e ânodo).
O vidro que atende a estas características é do tipo PYREX. Sua composição é
de 67 % de SiO2 e 23 % de B2O3. Este tipo de vidro permite a solda com o molibdênio
e com uma liga de ferro, níquel e cobalto.
2.1.3.2 – Catodo
O catodo é o pólo negativo do tubo de raios X, sendo composto pelo filamento e
pela capa focalizadora.
15
O filamento possui uma forma de espiral, geralmente de tungstênio, com 2 mm
de diâmetro e com 1 cm a 2 cm de comprimento. Este é aquecido pela passagem de
corrente elétrica de 3 a 6 A e a temperatura pode atingir a 2000ºC. A alta temperatura do
filamento proporciona o surgimento do efeito termiônico. O tungstênio é empregado
geralmente devido à sua alta eficiência termiônica e ao seu alto ponto de fusão. Após a
emissão termiônica, os elétrons permanecem na proximidade do filamento, criando uma
carga espacial nesta região. Aplicando-se uma diferença de potencial entre o catodo e
ânodo, ocorre o deslocamento dos elétrons que se encontram na carga espacial, em
direção ao ânodo, criando um feixe de elétrons (corrente anódica). Este feixe tende a se
dispersar devido à repulsão eletrostática entre os elétrons. Para evitar a dispersão, é
adicionada uma capa focalizadora junto ao filamento. Esta é projetada num determinado
formato, que quando carregada negativamente possibilita colimar o feixe de elétrons,
por meio da força de repulsão. A eficiência da capa focalizadora depende do seu
tamanho, da sua forma e da carga aplicada, além de depender da dimensão, da forma e
do posicionamento do filamento no interior da própria capa focalizadora. Na Figura 2.9
podemos observar o filamento e a influência da capa focalizadora na colimação do feixe
de elétrons.
Figura 2.9 – Ilustração do catodo e da capa focalizadora.
16
2.1.3.3 – Anodo
O anodo é o terminal positivo do tubo de raios X, podendo ser fixo ou rotatório.
Este serve de suporte para o alvo. É feito de cobre para permitir a rápida dissipação de
calor, pois quando os elétrons se chocam com o alvo, cerca de 99% de suas energias
cinéticas são convertidas em calor.
O anodo fixo é utilizado em equipamentos de baixa potência, como os
odontológicos e alguns transportáveis. Para os equipamentos de raios X que trabalham
com média e alta potência é utilizado o anodo rotatório.
O anodo rotatório é formado por um disco que gira durante a exposição. O alvo
se encontra na parte mais externa deste disco, formando uma trilha que possibilita
dissipar o calor produzido numa maior área. Originalmente, o alvo era confeccionado de
tungstênio. Atualmente, para aumentar a resistência da superfície contra a formação de
pequenas fendas e buracos, é confeccionado com uma liga, geralmente composta de
90% de tungstênio e 10% de rênio. A escolha do tungstênio deve-se as seguintes razões:
a) possui um alto número atômico, que implica em grande eficiência na produção
de raios X e com maior energia;
b) sua condutividade térmica é quase igual a do cobre, resultando em uma rápida
dissipação do calor produzido;
c) possui alto ponto de fusão (3370ºC), enquanto que a temperatura durante o
bombardeamento de elétrons gira em torno de 2000ºC.
Na Figura 2.10 apresenta a ilustração dos dois tipos de anodos citados acima.
17
Figura 2.10 – a) anodo fixo e b) anodo rotatório.
2.1.4 – Produção de Raios X
Quando a ampola de raios X é colocada em funcionamento, cria-se em torno do
filamento uma nuvem eletrônica, que é acelerada em direção ao anodo quando aplicada
uma diferença de potencial. Quando esses elétrons são desacelerados repentinamente
por meio de interação com os átomos do alvo, há uma transformação da energia cinética
que foi ganha durante a aceleração em radiação eletromagnética (raios X). Dependendo
do tipo de interação dos elétrons gerados com o alvo, os raios X podem ser produzidos
de duas formas: frenamento e colisão.
2.1.4.1 – Espectro Contínuo
Neste processo, os elétrons são defletidos pela carga elétrica positiva localizada
no núcleo dos átomos do alvo, devido a interação coulombiana. Sabe-se que uma
partícula carregada livre emite radiação eletromagnética quando tem sua trajetória
alterada. Este fenômeno é conhecido como “bremsstrahlung” ou radiação de freiamento.
Aplicando o principio de conservação de energia, tem-se:
hν = k – k’ (2.6)
18
onde
k é a energia cinética do elétron antes da interação;
k’ é a energia cinética do elétron após a interação e
hν é a energia do fóton emitido.
Logo, é possível observar que quanto maior a deflexão sofrida pelo elétron,
maior será a energia do fóton de raios X emitido. Assim, os comprimentos de onda dos
fótons emitidos podem variar de um máximo (k ≈ k’) e um mínimo (k’ = 0), originando
um espectro de radiação contínua, como pode ser visto na Figura 2.11.
Figura 2.11 – Espectro de radiação continua.
2.1.4.2 – Espectro Característico
Este processo ocorre quando um elétron energético interage com o átomo do
alvo e arranca um de seus elétrons mais internos (por exemplo: do nível K).
Conseqüentemente, este nível fica com uma vacância. Então, um dos elétrons mais
externos se move para preencher essa vaga, emitindo nessa transição um fóton de raios
X. Esse fóton é conhecido como raios X característicos e são geralmente devido às
transições orbitais entre as camadas K, L e M. Quando o elétron que preenche o buraco
vem do nível energético L, temos a linha K
α
. Quando vem do nível M, temos a linha K
β
.
19
O espectro final da radiação é o conjunto da radiação contínua (bremsstrahlung)
e de raios X característicos, como pode ser visto na Figura 2.12.
Figura 2.12 – Espectro de radiação continua com os picos característicos.
2.2 – RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA
A radiografia computadorizada (RC) utiliza no processo radiográfico placas de
fósforo fotoestimuláveis, que são também conhecidos como fósforos de armazenagem
(SONODA et al, 1983). Estes são os mais bem sucedidos comercialmente detectores
para radiografia digital. Os fósforos usados com maior freqüência são da família do
fluoreto de bário (BARNES, 1993) em forma de pó e depositados em um substrato para
formar a placa de fósforo. Os mecanismos de absorção de raios X são idênticos aos de
telas de fósforos convencionais usados com filmes. A diferença é que o sinal ótico útil
não é derivado da luz emitida imediatamente a incidência de radiação, mas de uma
subseqüente emissão, quando a imagem latente consistindo em cargas aprisionadas é
estimulada oticamente e liberadas das armadilhas metaestáveis. Isso desencadeia um
processo chamado luminescência fotoestimulada (PSL) resultando na emissão de luz de
comprimento de onda curto (azul) em quantidade proporcional ao fluxo de raios X
original. Em radiografia computadorizada, a placa de fósforo é posicionada em um
cassete, para a proteção contra a luz e exposto aos raios X e em seguida é escaneada
com um laser para liberar a luminescência fotoestimulada. A luz azul de PSL é coletada
e detectada por um tubo fotomultiplicador. O sinal da fotomultiplicadora é digitalizado
20
ponto a ponto para formar a imagem (FUJITA et al, 1989).
2.2.1 – Estrutura Física da Placa de Fósforo
A estrutura da placa de fósforo consiste em um suporte de poliéster, camada de
fósforo, camada protetora e outros componentes que podem variar de acordo com o
fabricante. Na Figura 2.13, pode se ver a disposição física das camadas da placa de
fósforo.
Figura 2.13 – Composição das camadas da placa de fósforo.
A camada de fósforo é protegida por uma camada protetora EBC (Eletronic –
Beam – Cured), que é composta por um pré-polímero de alta densidade com
aproximadamente 10 µm de espessura, garantindo assim maior proteção contra agentes
mecânicos e químicos, que poderiam danificar a placa de fósforo durante o processo de
leitura ou manipulação pelos usuários.
A camada do fósforo fotoestimulável é comumente constituída de cristais de
BaFBr:Eu
2+
, com grãos de tamanho variados, dependendo do tipo de placa. Essa
camada além de conter os grãos de fósforo tem em sua composição um polímero
orgânico de modo a unir os grãos e providenciar uma formação uniforme do filme.
A camada de suporte, composta de polietileno (PET – Polyethylene
Terephthalate) possui espessura entre 200 e 350 µm e, além da função de proteção da
camada do fósforo contra agentes externos, serve também para manter uma
21
planificação do filme e apresentar flexibilidade. O suporte pode ter laminas pretas na
sua parte posterior de modo a providenciar assim absorção de luz que entrariam de
forma indesejada.
Além das características mencionadas acima, todas as camadas devem manter
suas propriedades físicas inalteradas por temperatura, umidade, raios X, luz do laser,
além de apresentar flexibilidade e resistência mecânica.
2.2.2 – Funcionamento das Placas de Fósforo
Apesar de muitos elementos apresentarem como característica a emissão de
luminescência fotoestimulada (PSL), a maioria dos fósforos utilizados na radiografia
computadorizada fazem parte de uma classe de haletos de alcalinos terrosos dopados
com európio, entre os quais se destaca o flúor brometo de bário dopado com európio
bivalente (BaFBr:Eu
2+
). Este elemento possui uma resposta de luminescência
fotoestimulada altamente linear quando exposto a energia dos raios X. Além disso,
possui uma resposta muito rápida com um tempo de vida muito curto, possibilitando a
sua utilização em sistema de escaneamento de alta velocidade. Possivelmente, são
usados outros tipos de fósforos, como o flúor bromo iodeto de bário (BaFBr/I:Eu
2+
),
mas nenhum com tanta freqüência como o BaFBr:Eu
+2
.
Pode ser dito que o fósforo utilizado em radiografia computadorizada deve ter
no mínimo dois centros de armazenagem de energia proveniente de radiação, um para
os elétrons que são liberados quando interagem com os fótons de raios X e outro que
são os centros de armazenamento de buracos, chamados de ativadores, que no caso dos
fósforos de haleto de bário flúor são os íons de európio (Eu
2+
). Além disso, os
ativadores devem ser capazes de capturar os elétrons liberados no processo de excitação
ótica (segundo estímulo).
Sabe-se que nos cristais de haletos, os F centros são criados quando irradiados
com raios X. Nos cristais de BaFBr:Eu
+2
dois tipos de F centros são obtidos: um devido
ao flúor e outro devido ao bromo. Ambos os centros são criados pelo mesmo processo,
contudo, somente os formados com bromo contribuem significativamente para o
22
processo de fotoestimulação.
Na Figura 2.14 pode ser visto o espectro típico de fotoestímulo. A linha
vermelha corresponde ao F centro baseado no bromo. A linha preta contínua é o
espectro total e a linha azul é a diferença entre elas. Assim é visto que o fotoestímulo é
devido basicamente aos F centros do bromo (F – (Br
-
)).
Figura 2.14 – Espectro de fotoestímulo do BaFBr:Eu
2+
(SEGGERN, 1999).
Quando o fósforo é exposto à radiação ionizante, pares elétron-buraco são
criados na rede cristalina. A quantidade de pares é proporcional à energia de radiação
absorvida. Estes podem se recombinar imediatamente a partir do estado excitado do íon
Eu
2+
ou criar estados quase estáveis (F centros). Os F centros e seus correspondentes
buracos armazenam a energia absorvida da radiação ionizante e quando irradiado pelo
laser, com comprimento de onda adequado, no processo de leitura da placa de fósforo,
os F centros absorvem fótons do laser, elevando os elétrons a um estado excitado. A
partir desse estado este pode receber energia térmica atingindo a banda de condução.
Uma vez na banda de condução, o elétron está disponível para recombinar com os
buracos capturados pelos íons Eu
2+
e emitir luz correspondente a essa transição
(TAKAHASHI, 1985).
23
2.2.3 – Eficiência de Absorção de Raios X na Placa de Fósforo
A eficiência de absorção dos fótons de raios X pode influenciar no ruído de
quanta (X-ray Quanta Noise). Neste tópico será analisado a curva de eficiência de
absorção do fósforo fotoestimulável em função da energia dos fótons raios X.
Na Figura 2.15, pode ser visto o gráfico que mostra a variação da absorção em
função da energia dos fótons incidentes, para dois tipos de fósforo diferentes e a
variação da absorção dos fótons em função da densidade superficial para o BaFBr com
densidades diferentes (SEIBERT, 1999).
Figura 2.15 – Gráfico de absorção em função da energia do raios X (SEIBERT, 1999).
Observa-se que os fósforos representados no gráfico, apresentam uma alta
eficiência de absorção para fótons de baixas energias, aproximadamente 10 keV,
indicando que uma imagem radiográfica pode perder qualidade (presença de ruído)
devido à radiação ionizante ambiental. Após um período de tempo sem usar a placa de
fósforo, é aconselhado que este seja “apagado” antes do próximo uso, eliminando assim
a influência dessas radiações. Outro aspecto importante com relação à eficiência para
fótons de energias baixas é o uso de filtros no momento de uma exposição, eliminando
o efeito de espalhamento de radiação.
Observa-se também, que o fósforo de BaFBr:Eu apresenta uma eficiência
melhor comparada com o Gd
2
O
2
S:Tb (écran de terra rara), que foi uma das condições
impostas durante a pesquisa do fósforo ideal (encontrar um fósforo
24
fotoestimulável com eficiência igual ou superior aos écrans existentes). Segundo a curva
de eficiência apresentada acima, o fósforo usado na placa de fósforo apresenta um pico
próximo a 40 keV, esse pico é devido à linha k do bário (37 keV).
Outro aspecto importante é com relação à densidade superficial (µ/ρ, onde: µ
representa o coeficiente de absorção do material e ρ a densidade do material). É
observado que para o mesmo fósforo, porém com densidades diferentes, existe uma
variação na eficiência de absorção. O fósforo que tem uma densidade superficial maior
(100 mg/cm
2
) apresenta uma eficiência maior do que o fósforo com uma densidade
superficial menor (50 mg/cm
2
). Dessa forma, é visto que a eficiência do fósforo pode
ser aumentada com o aumento da densidade superficial (espessura do filme). Porém,
como foi mencionado anteriormente, o aumento da camada do fósforo resulta na
diminuição da resolução. Novas tecnologias têm estudado técnicas de aumentar a
densidade superficial sem aumentar a espessura do filme (SEIBERT, 1999).
2.2.4 – Curva de Sensibilidade
A Figura 2.16 mostra a curva de resposta para um receptor típico de fósforo
fotoestimulável comparado com um filme de ISO 400 usando um écran de terra rara.
Pode-se observar as principais características das placas de fósforo, como a linearidade
entre a dose e a intensidade de luminescência, a ampla resposta à variação de exposição
e a alta sensibilidade à radiação.
25
Figura 2.16 – Comparação da curva de sensibilidade entre o filme convencional e a
placa de fósforo.
Para sistemas filme-écran, que servem tanto como meio de aquisição de imagem
como também para a visualização, é necessário sintonizar o contraste do filme com a
velocidade radiográfica (ISO) a faixa de exposição, para adquirir uma imagem com
contraste ótimo e o mínimo de ruído. Já com placa de fósforo isso não é necessário,
devido ao fato da aquisição e a visualização da imagem serem eventos que ocorrem
separadamente. Então, compensações para sub e sobre exposição são possíveis por meio
de algoritmos aplicados aos dados digitais.
Devido a alta sensibilidade das placas de fósforo, aproximadamente 100 vezes
mais sensível do que os filmes radiográficos convencionais, elimina-se o longo tempo
de exposição, sendo capaz de detectar radiação onde filmes radiográficos convencionais
não seriam.
2.3 – PROCESSOS DE AQUISIÇÃO DA IMAGEM
2.3.1 – Leitor da Radiografia Computadorizada
O leitor da radiografia computadorizada (RC) é um dispositivo eletromecânico
que incorpora todas as funções necessárias para a extração da imagem latente e
reconstrução/exibição da radiografia final. Em termos de recursos e design, existe certa
26
variação de fabricante para fabricante, mas todos os leitores realizam as seguintes
funções básicas: um sistema de alimentação aceita a placa de fósforo, numa velocidade
uniforme, um sistema de transporte conduz a placa de imagem através de um escâner
com feixe de laser estimulador; a luminescência fotoestimulada, ponto por ponto, é
coletada por um filtro que faz a separação da fotoestimulação contra o espectro da
luminescência, uma vez que o feixe de estimulação é várias ordens de grandeza mais
intenso que a luminescência (dados da imagem). Em seguida, um
fotomultiplicador/detector amplifica o sinal. O sinal analógico é convertido em digital e
o computador armazena a matriz em um buffer de imagem para as operações
subseqüentes, como exibição, inserção de anotações, análise, medição, armazenamento
etc. Muitas vezes, depois da estação de leitura, há ainda a etapa do apagamento,
realizada pela ação de uma luz fluorescente brilhante (OLIVEIRA, 2004). A Figura
2.17 mostra um diagrama funcional de um sistema típico.
Figura 2.17 – Sistema da imagem de fósforo de armazenamento (MAZUR, 2006).
Essas funções eletromecânicas são comuns à maioria dos leitores da RC. O que
realmente as diferencia é o programa especializado para recursos personalizados e
funcionalidade. Dentro do espaço de trabalho digital, o potencial do computador
permitirá o aprimoramento da imagem com tarefas como a correção do efeito de
magnificação geométrica, inerente à técnica de exposição tangencial e a realização de
trabalho simples de estimativas de espessura de parede.
27
2.3.1.1 – Leitura da Placa de Fósforo
No processo de luminescência fotoestimulável necessita-se de um segundo
estímulo. Como os centros de cor absorvem energia quando irradiados com raio laser
vermelho, para ler a imagem utiliza-se tipicamente um feixe direcionado de raios laser
de He-Ne. A absorção de energia pelos centros de cor libera elétrons presos com
conseqüente emissão de luz azul (390 nm) quando esses elétrons liberados se
recombinam com as lacunas nos lugares ocupados pelo Eu
2+
, voltando então às suas
posições de valência originais. A intensidade dessa emissão é proporcional à carga
presa, que por sua vez é proporcional à absorção original dos raios X.
A velocidade com a qual a varredura é feita com o laser sobre a placa é ajustada
de acordo com o tempo de decaimento do sinal luminescente (0,8 µs para o fósforo
BaFBr:Eu
2+
), que é um dos principais fatores limitantes para o tempo de leitura da placa
de fósforo.
A potência do feixe do laser determina que fração de energia armazenada será
liberada, gerando impactos no tempo de varredura, no efeito de atraso fosforescente e
nos sinais residuais. Lasers com potências altas podem liberar mais elétrons
aprisionados, mas em troca há uma perda na resolução espacial, causada pelo aumento
da penetração do feixe do laser aumentando o espalhamento da luz estimulada na
camada do fósforo. Em alguns sistemas atuais, já é possível regular a intensidade do
laser de estímulo. Para garantir que somente os fótons de luminescência sejam coletados
pelo sistema, é utilizado um filtro ótico especial, destinado a bloquear a luz
estimuladora, que tem uma intensidade muito maior que a luz emitida pela placa de
fósforo.
A leitura da placa de fósforo é realizada linha a linha, e no final de cada linha o
feixe retorna ao início da próxima linha. Como a placa do fósforo está se movendo
simultaneamente, a velocidade de translação é ajustada de modo que a próxima
varredura do feixe do laser inicie com um espaçamento igual à área efetiva do foco do
laser sobre a placa, garantindo que dimensões de amostra são iguais na direção x e y.
28
A termologia utilizada para se referir à direção ao longo do caminho da reflexão
do laser é a direção de escaneamento. A direção de sub-escaneamento é referida à
direção de movimento da placa (SEIBERT, 1999). Na Figura 2.18 pode ser visto a
disposição da varredura do laser sobre a placa de fósforo.
Figura 2.18 – Disposição de varredura do laser (SEIBERT, 1999).
Durante a leitura, nem toda a energia armazenada na tela é liberada. Para
garantir a remoção completa de toda imagem latente, a placa de fósforo de
armazenamento é apagada com uma luz branca de alta intensidade, que a ilumina por
um curto período, permitindo assim que ela seja reutilizada em outras exposições. A
etapa do apagamento pode ser realizada no leitor RC (desde que este possua um sistema
de apagamento acoplado) ou em um equipamento a parte, imediatamente em seguida à
etapa de leitura (SEIBERT, 1999). Na Figura 2.19 pode ser visto o ciclo da placa de
fósforo.
29
Figura 2.19 – Representação esquemática do processo de formação da imagem
computadorizada (SEIBERT, 1999).
2.3.1.2 – Detecção e Conversão do Sinal Fotoestimulado
O sinal fotoestimulado é emitido em todas as direções a partir do fósforo. Em
alguns equipamentos, um sistema de captura óptica (guia coletor de luz) é posicionado
na interface fósforo-laser ao longo de toda direção de varredura, de modo a capturar
uma porção da luz emitida e a direcionar ao catodo de um tubo fotomultiplicador
(PMT). Na Figura 2.20 pode ser visto a foto de um guia coletor de luz.
30
Figura 2.20 – Guia coletor de luz (OLIVEIRA, 2004).
Em outros equipamentos, a luz emitida pela placa de fósforo é refletida por
espelhos parabólicos e direcionada ao tubo fotomultiplicador, como mostra a Figura
2.21.
Figura 2.21 – Esquema de leitura de uma placa de fósforo em um equipamento com
espelhos parabólicos (DURR NDT).
A fotomultiplicadora tem como função básica coletar a luz produzida na
luminescência e transformá-la em pulsos de corrente elétrica. Seus componentes básicos
são apresentados na Figura 2.22.
31
Figura 2.22 – Elementos básicos de uma fotomultiplicadora (BENUTZER, 2007).
A sensibilidade da janela do fotocatodo do tubo fotomultiplicador é ajustada de
modo que somente o comprimento de onda correspondente a luz emitida (400 µm) seja
capturado, descartando assim a possibilidade de absorção de fótons de outros
comprimentos de onda.
Fóton-elétrons emitidos pelo catodo são acelerados e amplificados através de
uma série de dinodos dentro do tubo fotomultiplicador. O ganho é dado pelos ajustes de
acordo com a voltagem sobre os dinodos. Assim, um sinal de corrente útil é obtido na
saída do tubo.
A faixa dinâmica do sinal de saída de um tubo fotomultiplicador é muito maior
do que em uma placa de fósforo, permitindo assim, uma boa amplificação do sinal de
saída.
A variação da intensidade de luz corresponde à variação na exposição, ou seja,
quanto maior a exposição da placa de fósforo maior será o número de fótons emitidos
no processo de luminescência.
Finalmente, os elétrons são coletados no anodo produzindo um pulso de corrente
que pode ser medido por um circuito eletrônico apropriado (OLIVEIRA, 2004).
32
2.3.1.3 - Digitalização do Sinal Fotoestimulado
O processo de digitalização é feito em dois passos: amostragem e quantização.
Na amostragem é determinada a localização e o tamanho do sinal fotoestimulado de
uma área específica do receptor. Na quantificação é determinado o valor médio da
amplitude do sinal na área.
A saída do tubo fotomultiplicador é medida em uma freqüência temporal,
coordenada com a taxa de varredura do laser, sendo quantizado a um valor inteiro e
discreto dependente da amplitude do sinal e o número total de valores digitais possíveis.
Um conversor analógico – digital (A/D) converte o sinal de saída do tubo
fotomultiplicador a uma taxa muito mais rápida que a taxa de varredura do laser. Um
dispositivo “pixel clock” coordena o tempo em que um sinal foi codificado com a
posição física na linha de varredura. Dessa forma, é possível estabelecer uma relação
entre o sinal e a posição em que ele foi gerado.
A razão entre a taxa de amostragem no conversor A/D e a varredura ao longo do
caminho da reflexão do laser determina o tamanho do pixel na direção de escaneamento.
A velocidade de translação, sub-escaneamento, é coordenada com tamanho do pixel na
direção de escaneamento. Dessa maneira, o espaçamento entre as linhas é igual à
largura do pixel, obtendo assim pixel quadrado. Atualmente, o tamanho típico do pixel
fica em torno de 50 µm, podendo alcançar menores valores dependendo do sistema de
radiografia computadorizada.
Embora exista uma infinita possibilidade de valores de voltagens analógicos,
entre o máximo e o mínimo na saída do tubo fotomultiplicador, o conversor A/D quebra
o sinal em uma série de valores discretos, para codificar a amplitude do sinal. O número
de bits utilizados para se aproximar do sinal analógico determina o número de valores
discretos possíveis. Em geral, os sistemas utilizam 12 ou 16 bits, tendo dessa forma,
4096 ou 65536 valores possíveis para uma dada amplitude do sinal analógico,
respectivamente (OLIVEIRA, 2004).
33
2.3.2 – Imagem Radiográfica Digital
As imagens obtidas no processo de luminescência fotoestimulada são matrizes
que podem ser manipuladas de modo a apresentarem imagens alternativas. Juntamente
com os sistemas de radiografia computadorizada, os fabricantes providenciam junto aos
seus equipamentos sofisticados computadores e programas, de modo que o usuário final
possa manipular a imagem de acordo com suas necessidades.
A imagem digital é armazenada através de dígitos binários denominados bits, que
podem assumir os valores 0 ou 1. A um conjunto de bits chamamos byte.
Os bits e bytes são usados para representar os pixels da imagem digital. Diferentes
configurações de bytes representam as diversas tonalidades de grau de cinza nos pixels.
A Figura 2.23 mostra o relacionamento entre as configurações de bytes, valores de pixel
e tonalidades de cinza.
Figura 2.23 – Comportamento entre os valores de pixel e os tons de cinza (CORREA,
2009).
O tamanho numérico de uma imagem (número de bytes) determina o espaço no
disco ou computador utilizado para guardá-la. A maior parte dos sistemas de aquisição
de imagens digitais trabalha com bytes de oito bits.
34
2.3.3 – Qualidade da Imagem
Neste tópico serão apresentados alguns dos fatores que influenciam na qualidade
de uma imagem radiográfica, como resolução espacial, contraste e ruído.
2.3.3.1 – Resolução Espacial
Um dos principais parâmetros que afetam a qualidade da imagem digital é a
resolução espacial. A resolução espacial é definida como sendo a menor separação
(distância) entre dois pontos da imagem que podem ser distinguidos ou visualizados.
A resolução espacial de uma imagem radiográfica está atrelada a uma série de
fatores, que contribuem para uma degradação do sinal, causando uma perda de definição
na imagem (desfocagem geométrica), como a seguir:
a) limitações físicas impostas pela composição do material;
b) espessura da placa de fósforo;
c) o tamanho finito do diâmetro do foco do laser incidente na camada do fósforo;
d) atraso temporal da luminescência;
e) espalhamento da luminescência no fósforo.
O atraso na luminescência causa uma resolução espacial ligeiramente menor na
direção ao longo do caminho da reflexão do laser (direção de escaneamento) do que na
direção de movimento da placa (sub-escaneamento), embora fosse esperada uma maior
precisão no movimento ótico/eletrônico do que no movimento mecânico. A varredura é
ajustada para um tempo de decaimento da luminescência de 0,8 µs. Caso esse
decaimento ocorra depois desse tempo, o posicionamento do laser estará em nova
posição, logo o sinal atrasado não será interpretado como proveniente do ponto anterior.
A perda de resolução devido à placa de fósforo ocorre devido a três processos:
a) a difusão do feixe de luz estimulante na placa de fósforo;
b)
estimulação dos fósforos pela luz de luminescência emitida por outros grãos;
35
c) reflexão da luz do feixe estimulante na camada de suporte da placa de fósforo.
A Figura 2.24 esquematiza alguns exemplos de processos de degradação da
resolução espacial.
Figura 2.24 – Processos de degradação da resolução espacial (OLIVEIRA, 2007).
A perda de resolução devido à placa de fósforo pode ser reduzida de diversas
maneiras:
a) a camada de fósforo pode ser colorida de forma a otimizar a absorção do feixe
de estimulação e minimizar a absorção da luz de luminescência;
b) os grãos de fósforo devem possuir pequena dimensão para minimizar a
dispersão;
c) a camada protetora e de fósforo deve ter espessura reduzida;
d) a camada de suporte deve incorporar um corante absorvente para evitar a
formação de reflexos sobre a camada de fósforo.
36
2.3.3.2 – Resolução em Contraste
A menor diferença em um sinal que pode ser representado entre pixels digitais
na imagem depende do número total de códigos (nível de quantificação), assim como a
amplitude do sinal em relação ao background.
O contraste é função da espessura e da diferença de densidade ou composição
química (número atômico) do objeto, e pode ser dividido em dois tipos: contraste do
sujeito e contraste da imagem.
2.3.3.2.1 – Contraste do Sujeito
Após a interação da radiação com diferentes estruturas do corpo de prova,
emerge destas uma radiação cuja distribuição em energia é diferente daquela que o
penetrou, devido ao fato de no trajeto, haver estruturas de características diferenciadas.
A essa nova distribuição de energias que compõem o feixe dá-se o nome de imagem
área, e a diferença na exposição entre vários pontos dentro da imagem área denomina-se
contraste do sujeito. Este é afetado principalmente pela energia da radiação incidente no
corpo de prova.
Pode-se exemplificar o contraste do sujeito comparando as intensidades de
radiação emergente de estruturas como o alumínio e o plástico. Se as duas intensidades
tiverem uma relação de magnitude entre si de quatro vezes, pode-se dizer que o
contraste do sujeito terá valor quatro. Na Figura 2.25 é mostrado um gráfico onde se
pode observar diferentes intensidades de um feixe de raios X que emerge de estruturas
distintas, no caso alumínio e plástico (SPRAWLS, 1995).
37
Figura 2.25 – Intensidade relativa do feixe de raios X após atravessar o corpo de prova.
2.3.3.2.2 – Contraste da Imagem
Contraste da imagem é o grau de diferenciação em tons de cinza de duas
estruturas adjacentes na imagem. O contraste da imagem depende basicamente das
características das estruturas do corpo inspecionado, composição dos materiais,
densidade e espessura, da energia e da intensidade de fótons que emergem das
diferentes estruturas (contraste do sujeito) e das características do sistema de detecção
de imagem (SPRAWLS, 1995). Na Figura 2.26 são mostrados os estágios de formação
do contraste da imagem.
Figura 2.26 – Estágios de formação do contraste da imagem (SPRAWLS, 1995).
38
2.3.3.2.3 – Fatores que Afetam o Contraste
Entre os fatores que afetam o contraste de uma imagem radiográfica, pode-se
citar dois: radiação espalhada e energia do feixe de radiação.
A radiação espalhada diminui o contraste, “mascarando” detalhes na imagem. A
Figura 2.27 mostra uma ilustração do contraste de uma imagem obtida sem e com a
radiação espalhada.
Figura 2.27 – Contraste obtido sem e com radiação espalhada (SPRAWLS, 1995).
O contraste diminui exponencialmente com o aumento da radiação espalhada.
Na Figura 2.28 é apresentado o comportamento do contraste da imagem com o aumento
da radiação espalhada.
Figura 2.28 – Comportamento do contraste da imagem em função da radiação
espalhada (SPRAWLS, 1995).
39
A radiação espalhada deve-se à interação da radiação com objetos nos arredores
da região de inspeção. Após atingir estes objetos, uma parte da radiação pode ser
espalhada e interagir com o detector, gerando informação que pode prejudicar a
informação da região de interesse. Em radiografia industrial, esse fenômeno é bastante
comum nas inspeções de campo, devido principalmente a energia da radiação utilizada
nos ensaios.
A radiação espalhada pode ser prevenida com a utilização de telas de chumbo
nas partes anterior e posterior do detector, de forma a atenuar a radiação de mais baixa
energia proveniente das interações de espalhamento.
2.3.3.2.4 – Energia do Feixe de Radiação
A energia é um dos fatores que mais influenciam o contraste radiográfico,
controlando a capacidade de penetração do feixe de radiação. Quanto maior a energia,
menor será a diferença entre a intensidade de fótons provenientes das várias densidades
de massa do corpo de prova, produzindo menor variação na atenuação. A Figura 2.29
mostra a variação do contraste em função do aumento da energia do feixe (SPRAWLS,
1995).
Figura 2.29 – Escala de degraus de tecido adiposo com cilindros de alumínio inseridos
(CORREA, 2009).
40
Assim como o filme convencional tem contraste limitado a uma dada velocidade
de exposição radiográfica, o contraste na imagem radiográfica digital é limitado pelo
nível de ruído.
2.3.3.4 – Ruídos
O ruído é a variação aleatória de intensidade no sinal da imagem, que contribuem
para redução de visualização de detalhes, especialmente de objetos pequenos e de baixo
contraste. O ruído da imagem possui diversas origens. A própria maneira aleatória que
os fótons de radiação são distribuídos no processo de formação da imagem é uma fonte
de ruído, denominado ruído quântico.
Existem vários tipos de fontes de ruídos que podem contribuir para o ruído geral
na imagem final, contudo serão mencionados apenas os mais importantes.
2.3.3.4.1 – Ruído de Quanta nos Raios X
A variação randômica dos raios X, ao ser absorvida pelo receptor PSP,
determina o componente de ruído quântico. Mesmo quando exposto a um feixe de raios
X uniforme, o número de quanta absorvido por unidade de área na placa de fósforo
varia, conforme a distribuição de Poisson. Quanto menor o número de fótons
absorvidos, maior será o grau de flutuação.
2.3.3.4.2 – Ruído de Luminescência
A variação da luminescência estimulada durante o processo de leitura contribui
significativamente para a variação na saída do sinal. Essa flutuação é causada pelo
número de fótons gerados no fósforo. O ruído de luminescência é inversamente
proporcional ao número de fótons e depende também de vários outros fatores tais como,
a energia dos raios X incidente, a quantidade de luminescência fotoestimulada na placa
de fósforo, a eficiência do guia coletor de luz, a estabilidade do laser e a eficiência do
conversor fotomultiplicador.
41
2.3.3.4.3 – Ruído da Estrutura da Placa de Fósforo
Esse tipo de ruído é causado pela irregularidade da camada interna do fósforo
fotoestimulável. Para uma diminuição desse ruído é importante que a granulação do
fósforo seja a menor possível e que tenha uma distribuição uniforme.
2.3.3.4.4 – Ruído de Quantização
Ruído de quantização adiciona incerteza na determinação dos sinais digitais
discretos. Este tipo de ruído é dependente da quantidade de bits utilizado no processo de
conversão analógica – digital.
2.3.3.4.5 – Ruído Eletrônico
Ruído eletrônico causa degradação no sinal de saída, durante todo o processo,
contudo com maior intensidade no processo de conversão fotoelétrico. Na Figura 2.30
pode-se observar a contribuição dos ruídos durante todo o processo de obtenção de uma
imagem radiográfica.
Figura 2.30 – Contribuição de ruído durante todo o processo de obtenção da radiografia
(OLIVEIRA, 2004).
42
2.3.3.3 – Razão Sinal-Ruído (SNR)
Como mencionado anteriormente, o ruído em um sistema eletrônico ou digital é
qualquer sinal indesejado que interfere na detecção ou processamento do sinal desejado.
Este ruído degrada o desempenho do sistema. Então, é importante determinar a razão
entre o sinal desejado e o indesejado, ou a relação sinal-ruído. Quanto maior for a razão
sinal ruído, maior qualidade de visualização de detalhes a imagem apresentará.
Em uma imagem digital, a razão sinal-ruído pode ser calculada através razão entre
a média de certa região da imagem e seu respectivo desvio padrão, obtidos através dos
programas de processamento de imagem. A razão sinal ruído é calculada pela equação
2.7.
σ
S
SNR =
(2.7)
onde,
∑
==
ji
ji
XX
ixj
S
,
,
1
(2.8)
(
)
( )
1
2
,
−
−
=
ixj
XX
ji
σ
(2.9)
onde i e j são respectivamente o número de linhas e colunas da área utilizada para
determinar a SNR, e X
i,j
são os valores de intensidade de cada ponto.
2.4 – PROCESSAMENTO DA IMAGEM
As funções de processamento de imagens digitais podem ser classificadas em
duas classes, por escopo ou por resultado. Por escopo, está relacionado com técnicas de
processamento. Por resultado, está relacionado com os tipos de resultado de cada
técnica.
43
Através do diagrama mostrado na Figura 2.31 pode-se ter uma idéia melhor das
classes de processamento por resultado.
Figura 2.31
– Diagrama de seqüência do processamento digital
(SCURI, 1999).
Há um fator comum em todas as classes de processamento: qualidade. Existem
duas subdivisões em qualidade de imagem: fidelidade e inteligibilidade. No primeiro
caso se está preocupado em aproximar a imagem processada da imagem original ou de
um padrão estipulado que a melhor represente. No segundo caso, preocupa-se com a
informação que se consegue extrair da imagem, seja pelo olho humano ou por algum
processamento.
Programas para editoração eletrônica precisam ter um cuidado muito grande
com a fidelidade na representação da cor da imagem. Já programas de processamento de
imagens científicas em geral não estão preocupados com a fidelidade da cor e sim a
informação contida na imagem.
44
2.4.1 – Restauração/Realce
Quando se está no contexto de editoração eletrônica, fica-se normalmente
situado apenas no escopo de operações de realce ou obscurecimento e de restauração ou
deformação.
A restauração busca compensar distorções específicas, normalmente geradas no
momento de aquisição. Quando se pode identificar experimentalmente a função que
representa a deformação ou construir um modelo matemático adequado, é possível
buscar a função inversa e aplicá-la sobre a imagem deformada. Por exemplo: correção
de foco, imagens borradas por movimento. Em todos os casos, a formulação matemática
envolvida é extremamente complexa e o custo computacional muito alto. Os resultados
podem ter conseqüências somente qualitativas.
2.4.2 – Segmentação
Quando se está no contexto de processamento de imagens científicas, o mais
comum é querer obter dados relacionados com os objetos presentes na imagem. Então
são necessárias as operações de segmentação que procurarão isolar regiões de pontos, e
operações de extração de atributos que vão olhar para essas regiões e calcular uma série
de parâmetros que as descreverão.
2.4.3 – Extração de Atributos
Utilizando imagens binárias é muito simples obter dados relevantes, ou
atributos, das regiões segmentadas, tais como:
a)
número total de objetos;
b)
propriedades geométricas, do tipo: área, perímetro, centro de gravidade, largura
máxima e mínima;
c)
atributos relacionados à forma, tais como: circularidade e concavidade;
d)
propriedades de luminância, tais como: nível de cinza médio de cada região (1º
momento da distribuição), desvio padrão do nível de cinza (2º momento da
45
distribuição), outros momentos estatísticos da distribuição de cada região;
As propriedades geométricas são medidas diretamente sobre a imagem binária.
As de luminância são obtidas da imagem original, a partir da informação de posição dos
diversos objetos, fornecida pela imagem binária.
2.4.4 – Operações Pontuais
Operações pontuais são operações em que um ponto da imagem resultante
depende apenas do mesmo ponto na imagem original. Neste caso, a única informação
que se tem é a cor do ponto. Por isso, muitas das operações pontuais são operações que
alteram características de cor e luminância, tais como: brilho, contraste, nível de branco
e nível de preto, saturação, correção gama, limiar (threshold), posterização, solarização,
negativo, etc. A Figura 2.32 mostra a representação de uma operação pontual.
Figura 2.32
– Operações pontuais na imagem digital
(SCURI, 1999).
Embora as funções pontuais estejam restritas somente ao ponto sendo
processado, o processamento em si pode levar em consideração dados globais da
imagem, como por exemplo, o histograma.
O histograma é uma função estatística da imagem que para cada nível de
tonalidade, calcula-se quantos pontos existem naquela tonalidade. Muitas operações
pontuais usam o histograma como parâmetro de decisão para fornecer resultados
diferentes para o ponto da imagem processada. A Figura 2.33 mostra um exemplo de
histograma de uma imagem monocromática.
46
Figura 2.33
– Histograma de uma imagem monocromática
(SCURI, 1999)
.
2.4.5 – Operações Locais
Operações locais são operações em que um ponto da imagem resultante depende
de uma vizinhança do mesmo ponto na imagem original. As operações locais mais
comuns são as operações de filtragem que usam uma convolução com um kernel de
dimensão n x n, onde n é tipicamente 3, 5, 7 e 9, mas pode assumir qualquer valor. Por
exemplo, no caso de n = 3 é muito fácil de entender. Cada ponto da vizinhança 3 x 3 do
pixel na imagem original é multiplicado por um valor e todos esses valores são somados
resultando no ponto novo, como pode ser visto na figura 2.34. Os valores que ponderam
a vizinhança são armazenados em uma matriz chamada kernel de convolução.
Operações de Blur, Sharpen, detecção de bordas e muitas outras são implementadas
dessa forma.
Figura 2.34
– Operações locais
(SCURI, 1999)
.
47
2.4.6 – Operações Globais
Operações globais são operações em que um pixel da imagem resultante depende
de um processamento realizado em todos os pixels da imagem original. Neste grupo de
operações estão as transformadas de domínio, tais como a Transformada de Fourier, a
Transformada de Wavelets (que na realidade são muitas, dependem de que wavelet está
sendo usada) e a Transformada de Hough.
Todas essas transformadas nos dão informações muito interessantes sobre a
imagem original. A Transformada de Fourier, por exemplo, é base fundamental para
toda teoria de processamento de sinais e com ela pode-se realizar uma série de
operações muito importantes com imagens. A Transformada de Wavelets irá decompor
a imagem em uma estrutura de multiresolução, que é muito utilizada para compressão
de imagens. A Transformada de Hough procura identificar formas geométricas na
imagem, tais como retas e círculos. Esse grupo de operações é visto somente em
programas de processamento de imagens científico.
2.5 – MATERIAIS COMPÓSITOS
Os materiais compósitos são formados por uma estrutura de reforço inserida em
uma matriz, onde o produto final apresenta uma combinação de propriedades dos seus
constituintes. O reforço geralmente é feito por fibras, que apresentam alta resistência à
tração e a matriz une as fibras de forma a permitir que as tensões sejam transferidas para
a fibra, resultando num material reforçado (
CALLISTER, 2002
).
O compósito é projetado de modo que as cargas a que a estrutura é submetida
em serviço sejam suportadas pelo reforço. Suas propriedades dependem da matriz, do
reforço e da interface. Desta forma, muitas variáveis precisam ser consideradas ao se
projetar um compósito: o tipo de matriz (metálica, cerâmica e polimérica), o tipo de
reforço (fibras ou partículas), suas proporções relativas, a geometria do reforço, método
de cura e a natureza da interface. Cada uma destas variáveis deve ser cuidadosamente
controlada a fim de produzir um material estrutural otimizado para as circunstâncias nas
quais será usado (
GIBSON, 1994
).
48
Os compósitos de matriz metálica, polimérica e cerâmica ocupam posições de
destaque no campo dos materiais avançados, graças às suas elevadas resistência e
rigidez específicas. Os compósitos avançados reduzem problemas de fadiga, possuem
maior flexibilidade, resistência à corrosão e ao desgaste, o que conduz a custos mais
baixos de ciclo de vida do produto.
Os materiais compósitos estão sendo empregados cada vez mais em substituição
aos materiais tradicionais, cujas características individuais não atendem às crescentes
exigências de melhor desempenho, segurança, economia e durabilidade. Os materiais
compósitos vêm sendo testados e tem apresentado desempenho superior ao de estruturas
metálicas convencionais.
Os materiais poliméricos são os mais usados em uma ampla diversidade de
aplicações dos compósitos, devido as suas propriedades à temperatura ambiente, da sua
facilidade de fabricação e de seu custo (
CALLISTER, 2002
).
2.5.1 – Matriz Polimérica
Os compósitos poliméricos, também denominados plásticos reforçados, são
materiais formados por uma matriz polimérica e um reforço. Entre as vantagens do
compósito polimérico estão: baixo peso, resistência à corrosão e ótimas propriedades
mecânicas quando comparados com alguns materiais convencionais de engenharia.
A função da matriz polimérica assim como das demais matrizes é transferir o
carregamento aplicado no material para as fibras, mantê-las ancoradas e agrupadas, e
protegê-las contra danos superficiais (abrasão mecânica ou reações com o ambiente), o
que contribui no controle das propriedades do compósito (
GIBSON, 1994
).
As matrizes poliméricas podem ser termorrígidas ou termoplásticas. As
termoplásticas amolecem com o aquecimento e eventualmente fundem, e endurecem
quando resfriadas e as termorrígidas são formadas por uma reação química interna entre
a resina e o endurecedor ou a resina e o catalisador, sofrendo uma reação não reversível
formando um produto duro e infusível, que se degrada com o aquecimento (
PILATO et
49
al, 1994
).
As resinas poliméricas termorrígidas mais amplamente utilizadas para aplicações
estruturais na indústria são as resinas poliéster, vinil éster e epóxi. As poliéster e vinil
éster tem um custo menor. Já as resinas epóxi são mais caras e, além de aplicações
comerciais, também são muito utilizadas em compósitos de matriz polimérica para
aplicações aeroespaciais, por que possuem melhores propriedades mecânicas e melhor
resistência à umidade do que as anteriores (
CALLISTER, 2002
). Na Tabela 2.1 pode
ser observada as características de cada uma dessas matrizes, sendo que cada uma delas
apresenta características particulares quanto ao processamento e desempenho
(
ASTROM, 2000
).
Tabela 2.1 –
Características de matrizes termorrígidas usadas em aplicações estruturais
(ASTROM, 2000).
Sistema Poliéster Vinil Éster Epóxi
Tipo de Resina
Ortoftálica,
isoftálica,
halogenada
Epóxi novolac,
resinas epóxi éster
de bisfenol
Epicloridrina/bisfenol-
A
Tipo de Indicador Peróxido orgânico Peróxido orgânico
Aminas e ácidos
anidrido
Volume de
Concentração
7-9 % 7-9 % 1-4 %
Adesão Interfacial Baixa Média Alta
Propriedades
Mecânicas
Baixa Média Alta
Resistência à
Fadiga
Média Média Alta
Resistência
Química
Média Alta Média
50
2.5.2 – Sistemas de Dutos Compósitos
O material mais importante é o Fibra de Vidro Reforçado com Epóxi (GRE), que
vem sendo utilizado onshore para aplicações de baixa e alta pressão com uma grande
variedade de fluídos, incluindo hidrocardonetos (
STRINGFELLOW, 1992
). Já nas
aplicações offshore vem sendo utilizados somente em sistemas aquosos de baixa
pressão, como do tipo mostrado na Figura 2.35 (
GIBSON, 2000
).
Figura 2.35 –
Sistema de tubos GRE em uma plataforma offshore
(GIBSON, 2000).
Apesar de dutos GRE apresentarem a melhor resistência química vários outros
tipos de resinas podem também ser usados. Isso inclui:
a)
Poliéster Isoftálico, para produtos de aplicação geral;
b)
Vinil Éster , que geralmente mostram resistência a corrosão próxima ao epóxi; e
c)
Fenólico (incluindo fenólico/siloxano).
Tubos de fibra de vidro são fabricados por enrolamento filamentar. O
enrolamento filamentar é um processo que resulta em um material descontínuo,
usualmente com ângulo das fibras próximo ao ótimo para aplicações de pressão, que é ±
55º. Alternativamente, para diâmetros pequenos, alguns fabricantes empregam o
51
processo de enrolamento contínuo.
2.5.3 – Resina Epóxi
Resinas epóxi são polímeros de peso molecular relativamente baixo capaz de ser
processado sob uma variedade de condições. Duas vantagens importantes dessas resinas
sobre resinas de poliéster não saturadas são: primeiro estas podem ser parcialmente
curadas e armazenadas neste estado e segundo estas exibem pouco encolhimento
durante a cura. Entretanto, a viscosidade de resinas epóxi convencionais é maior, e estas
são mais caras comparadas com resinas poliéster. As resinas curadas possuem alta
resistência química e a corrosão, boas propriedades térmicas e mecânicas, excelente
adesão a uma variedade de substratos e boas propriedades elétricas. Sua maior limitação
é o alto tempo de cura e a baixa performance em ambientes quentes e úmidos.
Aproximadamente 45% do total de resinas epóxi produzidas são usados em capas
protetoras. Enquanto o restante é usado em aplicações estruturais como laminados e
compósitos, ferramentaria, moldagem, fundição, construção, adesivos etc (
VARMA et
al, 2000
).
Os sistemas de resina epóxi são constituídos geralmente por dois ingredientes
distintos, que devem ser misturados logo antes de seu processamento. Um destes
ingredientes é o epóxido ou a “resina” do sistema. Apesar dos elementos constitutivos
da molécula possam variar, para que se atinjam certas propriedades finais, a
característica chave é o epóxido ou estrutura anelar de cada molécula, e o fato de que há
certo número de grupos –OH presentes na cadeia. A ligação cruzada pode envolver
tanto os grupos finais quanto os grupos de hidroxila (grupos –OH).
O segundo ingrediente da resina é um endurecedor, que é geralmente uma amina
primária e secundária ou ácido anidrido. Para a laminação úmida e enrolamento
filamentar, para a maior parte do uso offshore, epóxidos curados com amina são
preferenciais. Dois tipos de aminas podem ser utilizados, aminas alifáticas e aminas
aromáticas.
52
As aminas aromáticas produzem as melhores propriedades químicas e mecânicas
em altas temperaturas, mas são mais caras. Aminas alifáticas são menos caras e, abaixo
de 100ºC, as propriedades de sua resina curada são tão boas quanto as propriedades das
aminas aromáticas. No entanto, elas requerem um processo de cura posterior cuidadoso.
Epóxidos Anidridos curados possuem excelentes propriedades e são usados em
sistemas pré fabricados (prepegs) para fins aeroespaciais e em grandes quantidades em
sistemas de tubulações.
No caso de prepegs de epóxido, o reforço está impregnado com resina,
permitindo que a cura alcance um estágio intermediário, onde ele é parado. O prepeg é
então mantido em baixa temperatura até que se precise dele para modelar (
SPAGNI,
1998
).
2.5.4 – Reforço
Os reforços compósitos podem ser divididos em três tipos: compósitos
reforçados com partículas, compósitos reforçados com fibras e os compósitos
estruturais. A fase dispersa para compósitos reforçados com partículas tem eixos iguais,
isto é, as dimensões das partículas são aproximadamente as mesmas em todas as
direções; para os compósitos reforçados com fibras, a fase dispersa tem a geometria de
uma fibra, que podem ser de acordo com o seu comprimento curtas ou longas.
Os compósitos reforçados com fibras longas são tecnologicamente mais
importantes que os de fibras curtas, pois incluem com freqüência resistência e/ou
rigidez alta em relação ao seu peso. Diversos fatores influenciam as propriedades finais
do compósito reforçado com fibras longas, tais como: o comprimento, a orientação e
concentração (fração volumétrica) da fibra, além da orientação da tensão aplicada, se
longitudinal (força aplicada paralela à orientação da fibra) ou transversal (força
perpendicular à orientação da fibra) (
CALLISTER, 2002
).
Existem diversos tipos de fibras contínuas utilizadas como reforço, a depender
do propósito a que se destinam e das propriedades desejadas para o produto final, dentre
53
as quais, as mais utilizadas em aplicações estruturais com matriz poliméricas são: fibras
vidro, carbono e aramida, sendo que está última não é indicada para utilização em
risers, devido à perda das suas propriedades mecânicas em presença de umidade.
2.5.5 – Fibras de Vidro
As fibras de vidro ocupam posição de grande importância entre os materiais de
reforço usados pela indústria dos plásticos. Sendo comercializadas desde a década de
40, elas têm permitido a crescente evolução dos plásticos reforçados em aplicações
antes reservadas aos metais e suas ligas. As principais características da fibra de vidro,
que as tornam atraentes para o reforço de plásticos, em relação a outras fibras, são:
baixo coeficiente de dilatação térmica, altas propriedades mecânicas, retenção das
propriedades mecânicas em altas temperaturas, alto alongamento na ruptura, facilidade
de processamento e baixo custo (
CARVALHO, 1992
).
As fibras de vidro são obtidas pela fusão e fiberização de óxidos metálicos
(óxidos de silício, sódio, cálcio, alumínio, potássio, entre outros). Esses óxidos são
analisados, moídos, dosados, misturados e alimentados em fornos de fusão para
posterior transformação em fibras (
CARVALHO, 1992
). Elas se dividem em três
categorias de acordo com suas características em: E “Eletrical” (elétrico), C
“Chemical” (químico) e S “High Tensile Strength” (alta resistência) (
FIORELLI,
2002
).
2.5.6 – Fabricação de Materiais Compósitos de Matriz Polimérica
Para fabricar compósitos reforçados com fibras contínuas que atendam à
determinadas especificações de projeto, as fibras devem estar distribuídas
uniformemente no interior da matriz. Nesta seção serão discutidas técnicas de laminação
através das quais são produzidos os materiais para desenvolvimento deste trabalho.
54
2.5.6.1 – Laminação Manual (“Hand-lay-up”)
No processo de laminação manual as mantas e/ou os tecidos de fibras são
colocados manualmente sobre o molde e impregnados com resina catalisada e acelerada.
A resina, no estado líquido, é aplicada manualmente com rolos ou pincéis, utilizados no
auxílio da impregnação e na retirada de bolhas de ar (
CARVALHO, 1992
).
Esse processo, mostrado na Figura 2.36, consiste em aplicar sucessivamente
dentro da superfície do molde: inicialmente um agente desmoldante, uma camada de
resina líquida termofixa e uma camada de reforço que deve ser impregnado na resina
com o auxílio de um rolo ou pincel. Esse processo deve ser repetido até que se tenha a
espessura desejada do laminado (vetrotex).
Figura 2.36 –
Representação do processo de laminação manual
(FARO, 2008).
2.5.6.2 – Enrolamento Filamentar (“Filament Winding”)
O enrolamento filamentar é um processo de laminação segundo o qual, fibras de
reforço contínuas são posicionadas de maneira precisa e com a orientação necessária, de
acordo com um padrão predeterminado, para compor uma forma oca, impregnadas com
resina termorrígida, na quantidade necessária para construção da estrutura desejada
(
CALLISTER, 2002
), e é usado principalmente para construção de formas cilíndricas
como tanques, tubos ou dutos.
A construção do compósito cilíndrico por enrolamento filamentar consiste em
três etapas principais: a primeira é o projeto, os quais incluem a seleção de materiais,
geometria e orientações da fibra; o segundo, os meios mecânicos de colocação das
fibras através dos quais elas são colocadas em posições apropriadas, e o terceiro é a
55
seleção e o controle das condições que devem ser mantidos durante o processo de
fabricação (
ABDALLA et al, 2007
).
As fibras contínuas (rovings) dispostos em uma prateleira, através de sistemas de
tensão e guia, são desenroladas sob condições controladas e passadas em sistemas de
“imersão completos” que impregnam e controlam a quantidade de resina nos filamentos.
Os filamentos são então enrolados sobre um molde rotatório (mandril) em várias
camadas, como ilustrado na Figura 2.37. Após essa fase de enrolamento úmido, o
mandril com a estrutura compósita é removido, sempre em rotação, para ser
polimerizado em um forno ou à temperatura ambiente (
FARO, 2008
).
Figura 2.37 –
Esquema do processo de enrolamento filamentar
(FARO, 2008).
Existem dois diferentes métodos de enrolamento: (1) wet winding, nos quais as
fibras são passadas através de um banho de resina e enroladas em um mandril rotatório;
(2) prepreg winding, nos quais as fibras pré-impregnadas são colocadas sobre o mandril
rotatório. Entre esses métodos de enrolamento, o wet winding é o mais comum,
extensamente usado na fabricação de cilindros compósitos de matriz termorrígida
reforçado com fibras e possui maiores vantagens que o anterior, como: baixo custo do
56
material, curto tempo de enrolamento e o tipo da resina pode ser variado de acordo com
os requerimentos específicos (
ABDALLA et al., 2007
).
2.6 – Radiografia em Dutos Compósitos
A técnica radiográfica é bastante útil para a detecção de variações de espessura,
penetração da água, deposição de incrustações e alguns vazios e áreas de falta de
adesivo, além da presença de danos por impacto, poros ou inclusões e outros defeitos
volumétricos. Podem ainda ser detectadas trincas, desalinhamentos de montagem e
excesso de adesivo na raiz das juntas coladas (
ISO 14692-4, 2002
). A técnica
radiográfica não é sensível à rugosidade superficial, mas sim à orientação do defeito.
Os parâmetros radiográficos do ensaio (isto é, tensão do tubo de raios X e tempo
de exposição) devem ser ajustados, em comparação ao aço, devido à baixa densidade
dos polímeros e compósitos. Tensões baixas a médias são adequadas para a radiografia
do GRE (
NORSOK, 1994
). Podem também ser usados isótopos de baixa atividade.
Vazios na colagem (camada adesiva) aparecem como áreas escuras no filme. Os
defeitos são fáceis de detectar, pois há um espaço de ar entre as partes coladas.
Se o espaço de ar é inferior a 0,5 mm, os vazios serão muito difíceis de detectar. No
entanto, é muito difícil detectar a falta de adesivo sem modificá-lo, acrescentando a este
elementos pesados, que funcionam como geradores de contraste. ZnI
2
, BaSO
4
, PbO, e
W funcionam bem para este fim (
NORSOK, 1994
). A Figura 2.38 mostra a imagem de
uma junta colada com a adição de ZnI
2
ao adesivo.
Figura 2.38 –
Detecção de áreas de disbonding graças a adição de ZnI
2
no adesivo
(MARINHO et al, 2009).
57
Como dito anteriormente, os isótopos radioativos utilizados para a inspeção de
materiais compósitos deve possuir baixa atividade. Fontes de Yb-169 e Se-75 são as
mais indicadas para as inspeções, porém o Ir-192 também é utilizado, principalmente
para espessuras e diâmetros maiores.
Como nenhum indicador de qualidade de imagem está atualmente disponível
para verificar a sensibilidade em juntas coladas GRE, é muito importante que um filme
de grão fino e uma fonte com pequeno tamanho focal sejam utilizados (
NORSOK,
1994
).
2.6.1 – Juntas coladas
A geometria de exposição utilizada normalmente é a PDVS como descrito em
ASME Boiler and Pressure Vessel Code, secção V, artigo 2.
Em tubos com diâmetro externo superior a 8 polegadas são usados filmes de
tamanho 30 cm x 40 cm. Para tubos menores podem ser usados filmes de tamanho 10
cm x 24 cm.
Na prática, duas juntas podem ser expostas em um filme, porém as juntas têm
que ter diferentes números de identificação. Em tubos com diâmetro externo inferior a
152,4 mm (6 pol), filmes classe II e uma fonte radioativa, com 10 Ci a 12 Ci é a
indicada. Para juntas coladas a densidade óptica do filme deve estar entre 2,0 e 3,5
(
NORSOK, 1994
).
2.6.2 – Acoplamentos mecânicos
A geometria de exposição utilizada é a PDVS. Os filmes têm de ser colocadas
sob os parafusos (em contato direto com a superfície externa) e alinhado com precisão,
bem no centro do acoplamento. O alinhamento do filme é muito importante, já que os
critérios de aceitação são dependentes do filme ser colocado no centro do acoplamento.
Como a sensibilidade não é crítica, filmes Classe I podem ser utilizados. Para
acoplamentos mecânicos a densidade deve ser entre 1,5 a 4,0 (
NORSOK, 1994
).
58
CAPÍTULO 3
MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo serão descritos os equipamentos e corpos de prova utilizados na
execução deste estudo, assim como a metodologia adotada para o desenvolvimento da
pesquisa.
3.1 – CORPOS DE PROVA
Os testes foram realizados em corpos de prova de dois diâmetros (4 e 16
polegadas) fornecidos pela empresa Ameron, com tipos diferentes de defeitos, conforme
a seguir:
a) 16 polegadas
•
seis corpos de prova com falta de adesivo;
•
seis corpos de prova com falta de adesão;
•
seis corpos de prova sem defeito.
Estes corpos de prova consistem em juntas coladas de tubos de 16 polegadas de
diâmetro, cortados a 60º. A Figura 3.1 mostra os corpos de prova utilizados nesta etapa
e a Figura 3.2 mostra as dimensões e os cortes realizados para a confecção dos mesmos.
59
Figura 3.1
– Corpos de prova de 16 polegadas cortados.
Figura 3.2
– Dimensões e cortes dos tubos de 16 polegadas.
A falta de adesão foi simulada através de uma fita adesiva colocada na superfície
da junta antes de aplicado o adesivo gerando uma área onde o adesivo não irá aderir a
superfície a ser colada, como mostra a Figura 3.3.
60
Figura 3.3
– Método de simulação de falta de adesão.
A falta de adesivo será simulada colocando uma quantidade menor de adesivo
(30% menos que o procedimento indica) e não será homogeneizado por toda a
superfície gerando assim áreas onde o adesivo não irá preencher o espaço destinado a
ele para efetivar a colagem da junta, como mostra a Figura 3.4.
Figura 3.4
– Método de simulação de falta de adesivo.
Foi utilizado ainda um corpo de prova de junta já colada, sem cortes e sem
defeitos. Para os ensaios com esta peça, esta foi dividida em quatro partes, utilizando
marcadores numerados de chumbo de 0 a 3. A Figura 3.5 mostra esta junta colada.
61
Figura 3.5
– Junta colada de 16 polegadas
b) 4 polegadas
•
uma peça colada sem defeitos e sem corte;
•
três peças descoladas e sem cortes, já com as extremidades dos dutos prontas
para a colagem;
A Figura 3.6 mostra as peças de 4 polegadas.
Figura 3.6
– Corpos de Prova de 4 polegadas.
62
Foi confeccionado ainda um corpo de prova, que consiste em uma peça cortada e
colada com vazios inseridos em forma de faixas horizontais e verticais. A Figura 3.7
mostra a peça em questão e a Figura 3.8 mostra o esquema de posicionamento dos
vazios.
Figura 3.7
– Corpo de prova com defeitos inseridos.
Figura 3.8
– Esquema de posicionamento dos defeitos.
63
Foi fornecido juntamente com as peças, kits de adesivo PSX-60 para a colagem
das juntas de dutos de 4 polegadas. O kit de adesivo epóxi PSX 60 contém uma resina
adesiva, endurecedor e espátula para mistura. O adesivo é uma pasta vermelha com
enchimento de areia e o endurecedor adesivo é uma pasta branca. PSX 60 é um adesivo
siloxano epóxi formulado para ligação permanente de tubulações e articulações de fibra
de vidro.
3.2 – INDICADORES DE QUALIDADE DE IMAGEM (IQI)
3.2.1 – Resolução Espacial
Analogamente a radiografia computadorizada em materiais metálicos, para
materiais compósitos também há a necessidade de obter o valor da resolução espacial
básica, embora não existam normas que indiquem um valor específico como requisito
de qualidade. Assim, o IQI para levantamento da resolução espacial básica será o
mesmo utilizado para avaliar imagens de outros materiais, ou seja, o IQI de fio duplo,
de acordo com a Norma Européia EN 462-5.
O IQI de fio duplo consiste em uma barra fabricada em plástico, onde treze pares
de fios metálicos são colocados. Os pares de fios correspondentes aos números 1D à 3D
são fabricados em tungstênio, os outros são fabricados em platina, e as dimensões
devem corresponder ao especificado na norma. O espaçamento entre os fios é igual ao
diâmetro do mesmo. A Figura 3.9 mostra o IQI de fio duplo. A Tabela 3.1 mostra a
numeração dos elementos, a penumbra correspondente, o diâmetro dos fios, a tolerância
permitida e o correspondente em pares de linha por milímetro (pl/mm).
64
Figura 3.9
– Indicador de qualidade de fio duplo.
Tabela 3.1
– Parâmetros do Indicador de Qualidade de Imagem.
Elemento
Penumbra
(mm)
Diâmetro do fio
(mm)
Tolerância
Pl/mm
13D 0,10 0,050 10,000
12D 0,13 0,063 7,936
11D 0,16 0,080 ± 0,005 6,250
10D 0,20 0,100 5,000
9D 0,26 0,130 3,846
8D 0,32 0,160 3,125
7D 0,40 0,200 2,500
6D 0,50 0,250 ± 0,01 2,000
5D 0,64 0,320 1,563
4D 0,80 0,400 1,250
3D 1,00 0,500 1,000
2D 1,26 0,630 ± 0,02 0,794
1D 1,60 0,800 0,625
65
Para obter a resolução espacial do sistema, primeiramente deve ser traçado o
perfil de linha na imagem do IQI. O perfil de linha gera um gráfico dos valores de cinza
em função da distância, como pode ser visto na Figura 3.10.
Figura 3.10
– Perfil de linha do IQI de fio duplo.
O valor da resolução espacial básica é definido como a metade do valor da
penumbra do primeiro par de fios que não pode ser resolvido, ou seja, quando a
separação entre os fios não pode ser visualizada. O primeiro par de fios não resolvido é
determinado quando a diferença entre os valores de máximo e mínimo de intensidade é
menor do que 20% de sua intensidade máxima, conforme a Figura 3.11, sendo este o
limite de discernibilidade do sistema.
Figura 3.11
– Perfil de linha de um par de fios mostrando a diferença de pelo menos
20% dos valores de máximo e mínimo de intensidade entre os dois fios.
66
3.2.2 – Sensibilidade
Como não existem IQIs (indicadores de qualidade de imagem) específicos para
estes materiais, foi confeccionado um IQI que atuará como padrão de sensibilidade das
imagens radiográficas.
Este IQI consiste em uma pequena chapa do material adesivo com 1,00 mm de
espessura, contendo furos passantes de 1,00 mm e 2,00 mm de diâmetro. Este padrão
será utilizado para verificar a sensibilidade da imagem radiográfica quanto a presença
de vazios na região do adesivo. A Figura 3.12 mostra o padrão de sensibilidade.
Figura 3.12
– Padrão de material adesivo.
Para manter a espessura e a magnificação, o padrão foi posicionado entre a
parede do tubo e um calço de mesmo material do tubo. A Figura 3.13 mostra o
posicionamento do padrão no tubo.
67
Figura 3.13
– Ilustração do posicionamento do padrão no tubo.
3.3 – ENSAIOS RADIOGRÁFICOS
Para os ensaios com os corpos de prova de 4 e 16 polegadas através da técnica
de parede dupla vista simples (PDVS), foi utilizado um tubo de raios X de potencial
constante, modelo CSD 160, fabricado pela Balteau. Este equipamento possui dois
tamanhos de foco (0,4 mm e 3,0 mm), tensão máxima de 160 kV e corrente máxima de
35 mA.
As imagens foram obtidas por radiografia convencional e computadorizada para
posterior comparação. Com a radiografia convencional, foi utilizado um filme classe I,
modelo M100 fabricado pela Kodak. Após a revelação, o filme foi digitalizado pelo
scanner modelo LS85, fabricado pela Kodak, com resolução de 198 DPI. A Figura 3.14
mostra o sistema de digitalização de imagens.
Figura 3.14
– Digitalizador de radiografias LS85.
68
Com radiografia computadorizada, foram usadas placas de fósforo modelos IP
HD Plus, fabricado pela Durr e IPX, fabricado pela GEIT. A placa de fósforo IP HD
Plus é uma placa de altíssima resolução devido a sua pequena granulação e espessura.
Porém, pelo mesmo motivo, sua sensibilidade à radiação é baixa, sendo necessário
trabalhar com tempos de exposição mais elevados. A placa de fósforo IPX é uma placa
de boa resolução, com tamanhos de grãos e espessura maiores que a placa fabricada
pela Durr. Isso permite que se trabalhe com tempos de exposição mais reduzidos, porém
sem alcançar a mesma definição de imagem.
O sistema de radiografia computadorizada onde as placas foram escaneadas foi o
CR50P, fabricado pela GEIT. Este sistema possui diferentes tamanhos de pixel, que
podem ser selecionados pelo usuário, de acordo com a aplicação. O tamanho mínimo de
pixel é de 50 µm, produzindo imagens com boa resolução espacial. Este equipamento
permite ainda selecionar a tensão da fotomultiplicadora, numa faixa que varia de 300 a
1200 V. O aumento da tensão da fotomultiplicadora resulta em uma amplificação do
sinal elétrico gerado, o que permite atingir a mesma intensidade na imagem utilizando
um tempo de exposição menor. Nestes ensaios, o tamanho de pixel utilizado foi de 50
µm e o ganho da fotomultiplicadora foi de 450 V.
A Figura 3.15 mostra o filme M100, as placas de fósforo e o equipamento de
radiografia computadorizada.
Figura 3.15
– Filme radiográfico, Placa de Fósforo Durr e IPX e CR50P.
Como algumas peças são cortadas, conforme mencionado anteriormente, estas
foram posicionadas de forma a simular a geometria para a técnica de PDVS. A Figura
3.16 mostra a simulação de geometria empregada.
69
Figura 3.16
– Geometria de exposição para a técnica de PDVS.
3.4 – ENSAIOS COM CONTRASTE
Para os testes com contraste, foi utilizado um dos corpos de prova descolados de
4 polegadas. Estes foram cortados e colados com o adesivo, com uma mistura de
adesivo e bário e com uma mistura de adesivo e iodo. Durante a colagem, foram
gerados vazios no adesivo para simular descontinuidades. Todas as peças foram
radiografadas com radiografia computadorizada, através da técnica de parede simples
vista simples (PSVS), apenas para avaliar a influencia dos agentes de contraste na
visualização dos defeitos. A Figura 3.17 mostra os corpos de prova confeccionados para
este ensaio.
Figura 3.17
– Corpos de Prova de 4 polegadas com contraste.
70
3.5 – ENSAIOS COM MAGNIFICAÇÃO
Nesta etapa foram obtidas imagens com a técnica de PSVS para avaliar a
influência da magnificação na detectabilidade de descontinuidades no adesivo. Para
isso, foi utilizado um equipamento de raios x de potencial constante modelo FXS-100,
fabricado pela Feinfocus, com tamanho focal de 10 µm, tensão máxima de 100 kV e
corrente máxima de 1 mA. A Figura 3.18 mostra o equipamento de raios X FXS-100.
Figura 3.18
– Equipamento de raios X microfoco.
Para estes ensaios, foi utilizada, além da placa de fósforo IPX, uma outra placa,
modelo IPC2, fabricado pela GEIT. Esta placa possui uma maior sensibilidade que a
placa IPX, porém pior resolução. Optou-se por testar essa placa, pois devido à distância
grande entre a fonte e o detector e a baixa corrente do equipamento de microfoco, o
tempo de exposição tornou-se muito elevado para gerar as imagens com a placa IPX.
Foi usado ainda outro equipamento de radiografia computadorizada, modelo CR Tower
fabricado pela GEIT. Este equipamento gera imagens com valores de cinza mais
elevados em relação ao CR50P, porém devido ao seu maior tamanho de pixel, a
definição da imagem pode ser prejudicada.
71
3.6 – CIRCUITO HIDRÁULICO
Nessa etapa, foram radiografadas juntas coladas de um circuito hidráulico
montado para simular o escoamento de água na tubulação, com o objetivo de avaliar a
influência da presença de líquidos na detectabilidade de defeitos e na qualidade da
imagem. Essa etapa tinha como objetivo ainda simular a temperatura e pressão de
operação do sistema para avaliar danos nas juntas devido a estas condições, porém não
foi possível completar esta etapa devido a fatores complicadores que impediram a
realização da pressurização do circuito.
O circuito é formado por dutos de 4 polegadas de diâmetro contendo juntas
coladas, e unidos por flanges. Na etapa de montagem, foram inseridos defeitos no
adesivo em algumas das juntas de forma a simular descontinuidades reais encontradas
neste tipo de material. Foram obtidas imagens de duas juntas com defeitos simulados de
falta de adesão, duas juntas com defeitos simulados de falta de adesivo e duas juntas
sem defeito. A figura 3.19 mostra o circuito hidráulico e a Figura 3.20 a ilustração das
juntas inspecionadas.
Figura 3.19
– Circuito hidráulico montado para os ensaios.
72
Figura 3.20
– Ilustração do circuito hidráulico com identificação do posicionamento
das juntas inspecionadas.
Para estes ensaios foi utilizado um equipamento de raios X de potencial
constante modelo MG 165 fabricado pela Yxlon. Este equipamento possui tamanho de
foco de 1 mm, tensão máxima de 160 kV e corrente máxima de 22,5 mA. O
equipamento de radiografia computadorizada foi o mesmo utilizado nos ensaios
anteriores, assim como a placa de fósforo. A figura 3.21 mostra o equipamento de raios
X utilizado.
Figura 3.21
– Aparelho de raios X utilizado na inspeção do circuito hidráulico.
73
Para a execução dos ensaios, foi utilizada a técnica radiográfica de Parede Dupla
Vista Simples (PDVS), conforme estabelecido nos ensaios anteriores, obtendo-se quatro
radiografias por junta. A figura 3.22 mostra a geometria de exposição.
Figura 3.22
– Geometria de exposição Parede Dupla Vista Simples (PDVS).
Devido a utilização de um novo tubo de raios X, os parâmetros de exposição
tiveram que ser ajustados para os ensaios das juntas sem água e conseqüentemente para
as juntas radiografadas com a presença de água na tubulação. A tensão foi mantida em
70 kV, a corrente em 3 mA e os tempos de exposição são os mostrados da tabela 3.2.
Tabela 3.2
– Tempos de Exposição (s) para os ensaios no circuito hidráulico.
Sem Defeito
Falta de Adesivo
Falta de Adesão
Sem Água 5 5 13
Com Água
30 30 60
74
CAPÍTULO 4
RESULTADOS
Nesse capítulo, serão apresentados todos os resultados obtidos neste trabalho,
segundo a metodologia apresentada no capítulo anterior.
4.1 – CORPOS DE PROVA DE 16 POLEGADAS
4.1.1 – Determinação da Resolução Espacial
Nesta etapa, foram obtidos os valores da resolução espacial básica para as
imagens do corpo de prova de 16 polegadas. Para isso, foi utilizado um IQI de fio
duplo, de acordo com a norma EN 462-5. Foram testadas três técnicas de exposição,
conforme mostra a Tabela 4.1.
Tabela 4.1
– Parâmetros de exposição utilizados.
Tensão (kV)
Corrente (mA)
Tempo (s)
60 3 284
70 3 120
80 3 60
As Figuras 4.1 a 4.3 mostram a radiografia do IQI de fio duplo para a técnica de
PDVS em um tubo de 16 polegadas, utilizando a placa de fósforo HD IP-Plus. Pode ser
observado que para as três tensões testadas a Resolução Espacial Básica foi de 100 µm.
75
Figura 4.1 –
Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 60 kV.
Figura 4.2
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 70 kV.
Figura 4.3
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 80 kV.
76
4.1.2 – Detecção de Defeitos
Nesta etapa, foram realizadas as radiografias dos corpos de prova com o intuito
de detectar os defeitos citados anteriormente. Após a aquisição das imagens, estas foram
realçadas através de processamento matemático, com o objetivo de visualizar com
maior nitidez as descontinuidades das peças.
As figuras 4.4 a 4.12 mostram as imagens dos corpos de prova. Nestas imagens
foi possível observar marcas escuras na região da junta colada, o que representa
indicações de vazios. Estas indicações puderam ser detectadas com todas as tensões
utilizadas. Assim, pode-se concluir que todos os corpos de prova apresentam regiões
com falta de adesivo, inclusive a peça sem defeito.
A Figura 4.4 mostra a radiografia do corpo de prova sem defeito (identificação
1-2) com tensão de 60 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.4
– Radiografia do corpo de prova “Sem Defeito 1-2” com tensão de 60 kV,
sem (superior) e com (inferior).
A Figura 4.5 mostra a radiografia do corpo de prova sem defeito (identificação
1-2) com tensão de 70 kV, sem e com processamento de imagem.
77
Figura 4.5
– Radiografia do corpo de prova “Sem Defeito 1-2” com tensão de 70 kV,
sem (superior) e com (inferior).
A Figura 4.6 mostra a radiografia do corpo de prova sem defeito (identificação
1-2) com tensão de 80 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.6
– Radiografia do corpo de prova “Sem Defeito 1-2” com tensão de 80 kV,
sem (superior) e com (inferior).
78
A Figura 4.7 mostra a radiografia do corpo de prova de falta de adesão
(identificação 4-1) com tensão de 60 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.7
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesão 4-1” com tensão de 60
kV, sem (superior) e com (inferior).
A Figura 4.8 mostra a radiografia do corpo de prova de falta de adesão
(identificação 4-1) com tensão de 70 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.8
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesão 4-1” com tensão de 70
kV, sem (superior) e com (inferior).
79
A Figura 4.9 mostra a radiografia do corpo de prova de falta de adesão
(identificação 4-1) com tensão de 80 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.9
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesão 4-1” com tensão de 80
kV, sem (superior) e com (inferior).
A Figura 4.10 mostra a radiografia do corpo de prova com falta de adesivo
(identificação 8-1) com tensão de 60 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.10
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesivo 8-1” com tensão de 60
kV, sem (superior) e com (inferior).
80
A Figura 4.11 mostra a radiografia do corpo de prova com falta de adesivo
(identificação 8-1) com tensão de 70 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.11
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesivo 8-1” com tensão de 70
kV, sem (superior) e com (inferior).
A Figura 4.12 mostra a radiografia do corpo de prova com falta de adesivo
(identificação 8-1) com tensão de 80 kV, sem e com processamento de imagem.
Figura 4.12
– Radiografia do corpo de prova “Falta de Adesivo 8-1” com tensão de 80
kV, sem (superior) e com (inferior).
81
A Tabela 4.2 mostra os valores de SNR
N
médios para as radiografias dos corpos
de prova Sem Defeito 1-1, Falta de Adesivo 8-1 e Falta de Adesão 4-1, para as três
tensões utilizadas.
Tabela 4.2 –
Valores de SNR
N
para os corpos de prova radiografados.
Tensão (kV) Sem Defeito 1-1
Falta de Adesivo 8-1 Falta de Adesão 4-1
60 156 192 195
70 144 172 175
80 140 149 171
Como não existe uma norma específica para Radiografia Computadorizada de
materiais compósitos, a SNR
N
requerida adotada para os ensaios seguiu as normas para
a inspeção de materiais metálicos. A mínima SNR
N
requerida por norma é de 60. Assim
pode-se constatar que as imagens apresentaram boa SNR
N
, já que os valores obtidos
foram superiores aos estabelecidos.
Um dos corpos de prova sem defeito (identificação 1-5), após ser radiografado,
foi cortado e descolado. Foi retirada uma parte do adesivo e na parte restante, foram
inseridos furos passantes de 1,00 mm de diâmetro, com o intuito de verificar a
detectabilidade para pequenos vazios no adesivo. Em todas as imagens os furos do
padrão de sensibilidade foram detectados, assim como todos os furos inseridos na peça.
Porém a área onde o adesivo foi retirado não pode ser claramente observada.
A Figura 4.13 mostra a imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” antes e
depois de inserir os furos no adesivo, obtida com tensão de 60 kV, sem e com
processamento de imagem.
82
Figura 4.13
– Imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” para a tensão de 60 kV –
a) antes da inserção de furos e sem processamento, b) após a inserção de furos sem
processamento, c) antes da inserção de furos e com processamento e d) após a inserção
de furos com processamento.
A Figura 4.14 mostra a imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” antes e
depois de inserir os furos no adesivo, obtida com tensão de 70 kV, sem e com
processamento de imagem.
83
Figura 4.14
– Imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” para a tensão de 70 kV –
a) antes da inserção de furos e sem processamento, b) após a inserção de furos sem
processamento, c) antes da inserção de furos e com processamento e d) após a inserção
de furos com processamento.
A Figura 4.15 mostra a imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” antes e
depois de inserir os furos no adesivo, obtida com tensão de 80 kV, sem e com
processamento de imagem.
84
Figura 4.15
– Imagem do corpo de prova “Sem Defeito 1-5” para a tensão de 80 kV –
a) antes da inserção de furos e sem processamento, b) após a inserção de furos sem
processamento, c) antes da inserção de furos e com processamento e d) após a inserção
de furos com processamento.
A Tabela 4.3 mostra os valores de SNR
N
médios para as radiografias dos corpos
de prova Sem Defeito 1-5, para as três tensões utilizadas.
Tabela 4.3 –
Valores de SNR
N
para o corpo de prova Sem Defeito 1-5.
Tensão (kV) Sem Defeito 1-5
60 163
70 157
80 154
Novamente pode-se observar que os valores obtidos para a SNR
N
foram
superiores aos estabelecidos em norma, tendo as imagens atingido qualidade acima do
requerido neste parâmetro.
85
Com a finalidade de verificar a confiabilidade das imagens obtidas por
radiografia computadorizada, estas foram validadas através de comparação com
imagens de radiografia convencional. A Figura 4.16 mostra a imagem radiográfica do
corpo de prova “Falta de Adesivo 8-1” obtida com radiografia convencional. Para esta
imagem, os parâmetros de exposição foram 70 kV, 5 mA e 300 segundos.
Figura 4.16
– Imagem radiográfica digitalizada do corpo de prova “Falta de Adesivo 8-
1” – sem processamento (superior) e com processamento (inferior).
Novamente, os furos passantes do padrão de sensibilidade foram detectados.
Pode-se observar marcas escuras na região da junta colada, o que mostra a presença
vazios no adesivo, que puderam ser detectadas tanto na radiografia computadorizada,
quanto na radiografia convencional. Assim, conclui-se que as imagens mostram
86
indicações de falta de adesivo que pode ser percebido com todas as técnicas de
exposição.
As Figuras 4.17 a 4.24 mostram as imagens da junta colada, sem cortes, nas
quatro posições. Nestas imagens pode-se detectar os furos do padrão sensibilidade com
as duas técnicas. Além disso, observa-se que as imagens do tubo apresentam marcas
escuras na região do adesivo, indicando a presença de regiões de vazio na cola.
A Figura 4.17 mostra a comparação entre a radiografia convencional e
computadorizada para a posição 0-1 e a Figura 4.18 mostra a mesma imagem
processada com o filtro computacional “Enhance Details”.
Figura 4.17
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 0-1.
87
Figura 4.18
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 0-1, processada com filtro “Enhance Details”.
A Figura 4.19 mostra a comparação entre a radiografia convencional e
computadorizada para a posição 1-2 e a Figura 4.20 mostra a mesma imagem
processada com o filtro computacional “Enhance Details”.
Figura 4.19
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 1-2.
88
Figura 4.20
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 1-2, processada com filtro “Enhance Details”.
A Figura 4.21 mostra a comparação entre a radiografia convencional e
computadorizada para a posição 2-3 e a Figura 4.22 mostra a mesma imagem
processada com o filtro computacional “Enhance Details”.
Figura 4.21
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 2-3.
89
Figura 4.22
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 2-3, processada com filtro “Enhance Details”.
A Figura 4.23 mostra a comparação entre a radiografia convencional e
computadorizada para a posição 3-0 e a Figura 4.24 mostra a mesma imagem
processada com o filtro computacional “Enhance Details”.
Figura 4.23
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 3-0.
90
Figura 4.24
– Comparação entre a radiografia convencional e computadorizada para a
posição 3-0, processada com filtro “Enhance Details”.
A Tabela 4.4 mostra os valores de SNR
N
médios para as radiografias das quatro
posições do tubo de 16 polegadas.
Tabela 4.4 –
Valores de SNR
N
para o tubo de 16 polegadas.
Posição SNR
N
0-1 134
1-2 132
2-3 134
3-0 136
As imagens atingiram valores de SNR
N
acima do requerido pela norma,
apresentando assim qualidade satisfatória neste parâmetro de análise.
Em todas as imagens podem-se observar marcas escuras na região da junta
colada, o que representa indicações de vazios, pois a ausência de adesivo nestas regiões
permite que os fótons de radiação sejam transmitidos com maior intensidade nesses
pontos que nos pontos onde há a presença uniforme da cola. No corpo de prova que foi
descolado e inserido furos, todos os defeitos puderam ser detectados, como forma de
91
pontos escuros na imagem, na região do adesivo.
Pode-se observar através destas análises que mesmo os corpos de prova
confeccionados para não conter defeitos apresentaram indicações de vazios. Essas
indicações são semelhantes às encontradas nos corpos de prova com falta de adesivo,
assim como aos defeitos inseridos após a peça ser descolada.
4.2 – CORPOS DE PROVA DE 4 POLEGADAS
4.2.1 – Determinação da Resolução Espacial
Nesta etapa, foram obtidos os valores da resolução espacial básica para as
imagens do corpo de prova de 4 polegadas. Para isso, foi utilizado um IQI de fio duplo,
de acordo com a norma EN 462-5. Foram testadas três técnicas de exposição, conforme
mostra a Tabela 4.5.
Tabela 4.5
– Parâmetros de exposição utilizados.
Tensão (kV)
Corrente (mA)
Tempo (s)
60 3 30
70 3 12
80 3 6
As Figuras 4.25 a 4.27 mostram a radiografia do IQI de fio duplo para a técnica
de PDVS em um tubo de 4 polegadas, utilizando a placa de fósforo HD IP-Plus. Pode
ser observado que para as três tensões testadas a Resolução Espacial Básica foi de 100
µm.
92
Figura 4.25
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 60 kV.
Figura 4.26
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 70 kV.
93
Figura 4.27
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo para a tensão de 80 kV.
4.2.2 – Ensaios de Detecção de Defeitos
Nesta etapa, primeiramente foram obtidas imagens de um corpo de prova sem
adesivo e de outro idêntico com adesivo. O intuito deste ensaio foi verificar
quantitativamente a influência da presença ou não do adesivo no nível de cinza da
imagem radiográfica. Para isso, marcou-se nas imagens regiões de interesse (ROIs) para
obter os valores de intensidade nestas áreas. Posteriormente, foram realizadas as
radiografias do corpo de prova com falta de adesivo em forma de faixas verticais e
horizontais, com o intuito de detectar os esses defeitos. Após a aquisição das imagens,
estas foram realçadas através de processamento matemático, com o objetivo de
visualizar com maior nitidez as descontinuidades das peças.
As Figuras 4.28 a 4.30 mostram a comparação entre um corpo de prova sem e
outro com adesivo para as tensões de 60 kV, 70 kV e 80 kV.
94
Figura 4.28
– Comparação dos corpos de prova sem e com adesivo para tensão de 60
kV.
Figura 4.29
– Comparação dos corpos de prova sem e com adesivo para tensão de 70
kV.
95
Figura 4.30
– Comparação dos corpos de prova sem e com adesivo para tensão de 80
kV.
Nas imagens pode-se observar que há diferença nos valores de cinza, sendo a
intensidade de radiação registrada pela placa de fósforo maior para o corpo de prova
sem adesivo. Pode-se concluir então que a falta de adesivo pode ser detectada
quantitativamente.
A Figura 4.31 mostra a radiografia do corpo de prova com falta de adesivo
horizontal com tensão de (a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV. A Figura 4.32 mostra as
mesmas imagens processadas com filtro computacional “Enhance Details”.
96
Figura 4.31
– Imagem do corpo de prova com falta de adesivo horizontal com tensão
de (a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV.
Figura 4.32
– Imagem do corpo de prova com falta de adesivo horizontal com tensão
de (a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV, processadas com o filtro computacional “Enhance
Details”.
A Figura 4.33 mostra a radiografia do corpo de prova com falta de adesivo
vertical com tensão de (a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV. A Figura 4.34 mostra as
97
mesmas imagens processadas com filtro computacional “Enhance Details”.
Figura 4.33
– Imagem do corpo de prova com falta de adesivo vertical com tensão de
(a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV.
Figura 4.34
– Imagem do corpo de prova com falta de adesivo horizontal com tensão
de (a) 60 kV, (b) 70 kV e (c) 80 kV, processadas com o filtro computacional “Enhance
Details”.
98
Nas imagens obtidas pode-se observar que os furos do padrão de sensibilidade
foram detectados para todas as tensões, assim como os defeitos de falta de adesivo. As
imagens mostraram que o contraste entre as partes com e sem adesivo foi bastante
acentuada, permitindo a total visualização da região vazia, inclusive com a delimitação
das bordas dos defeitos.
A Tabela 4.6 mostra os valores de SNR
N
médios para as radiografias do corpo
de prova com falta de adesivo horizontal e vertical, para as três tensões utilizadas.
Tabela 4.6 –
Valores de SNR
N
para o corpo de prova de falta de adesivo.
Tensão (kV) Horizontal Vertical
60 207 198
70 203 183
80 198 182
4.3 – TESTES COM CONTRASTE
Nesta etapa, foram obtidas imagens do corpo de prova de 4 polegadas, cortado,
para a avaliação da influência dos agentes de contraste na detectabilidade de vazios na
região do adesivo, para as três tensões, sem e com processamento de imagem.
Pode-se observar em todas as imagens que a adição de agentes de contraste no
adesivo realçou as indicações de vazios na cola, podendo ser um método de grande
utilidade na detecção de defeitos na colagem. Os resultados dessa etapa mostraram que
o melhor contraste obtido foi quando utilizado o elemento bário na mistura da cola,
como era de se esperar devido ao seu maior número atômico.
A Figura 4.35 mostra a radiografia dos corpos de prova com tensão de 60 kV. A
Figura 4.36 mostra a mesma imagem processada com o filtro computacional “Enhance
Details”.
99
Figura 4.35
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 60 kV. (a)
somente adesivo, (b) mistura de adesivo e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
Figura 4.36
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 60 kV
processada com o filtro “Enhance Details”. (a) somente adesivo, (b) mistura de adesivo
e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
A Figura 4.37 mostra a radiografia dos corpos de prova com tensão de 70 kV. A
Figura 4.38 mostra a mesma imagem processada com o filtro computacional “Enhance
Details”.
Figura 4.37
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 70 kV. (a)
somente adesivo, (b) mistura de adesivo e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
100
Figura 4.38
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 70 kV
processada com o filtro “Enhance Details”. (a) somente adesivo, (b) mistura de adesivo
e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
A Figura 4.39 mostra a radiografia dos corpos de prova com tensão de 80 kV. A
Figura 4.40 mostra a mesma imagem processada com o filtro computacional “Enhance
Details”.
Figura 4.39
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 80 kV. (a)
somente adesivo, (b) mistura de adesivo e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
Figura 4.40
– Radiografia dos corpos de prova de 4 polegadas com tensão de 80 kV
processada com o filtro “Enhance Details”. (a) somente adesivo, (b) mistura de adesivo
e bário e (c) mistura de adesivo e iodo.
101
Apesar desta técnica ter apresentado bons resultados, sua utilização merece um
estudo devido a dificuldade de inserir os elementos no adesivo. Como existe um
procedimento para a preparação do adesivo, a adição de elementos de contraste implica
em estudos para verificar sua influência no processo de cura, o que pode resultar em
problemas na resistência e nas propriedades de adesão da cola. As dificuldades de
aplicação do contraste são maiores para juntas em funcionamento ou após a montagem,
pois o adesivo após a cura total torna-se bastante resistente, o que impediria a inclusão
dos elementos de contraste na junta.
4.4 – ENSAIOS COM MAGNIFICAÇÃO
Nesta etapa foram obtidas imagens dos corpos de prova, sem e com
magnificação, para avaliar a influência desta técnica na detecção de descontinuidades na
junta colada.
A Figura 4.41 mostra a radiografia do padrão de sensibilidade sem magnificação
(cima) e com magnificação (baixo). Para o ensaio sem magnificação, a distância fonte
detector foi de 1300 mm e para o ensaio com magnificação a distância fonte detector foi
de 1500 mm, com distância fonte objeto foi de 400 mm, gerando um fator de ampliação
de 3,75 vezes. Em ambos os ensaios, o image plate utilizado foi o IPX, fabricado pela
GEIT e o scanner foi o CR50P, também fabricado pela GEIT.
102
Figura 4.41
– Radiografia do padrão de sensibilidade sem e com magnificação.
As Figuras 4.42 e 4.43 mostram os perfis de linha dos furos do padrão de
sensibilidade das radiografias sem e com magnificação, respectivamente.
Figura 4.42
– Perfis de linha dos furos do padrão de sensibilidade para imagem sem
magnificação.
103
Figura 4.43
– Perfis de linha dos furos do padrão de sensibilidade para imagem com
magnificação.
Através da análise dos perfis de linha do padrão de sensibilidade pode-se
observar que há aumento do contraste entre as partes com e sem adesivo, (expresso pela
diferença entre essas regiões), quando é utilizada a técnica de magnificação, mostrando
que as regiões de falta de adesivo terão o contraste amplificado usando essa técnica.
A Figura 4.44 mostra a radiografia de um corpo de prova de 4 polegadas sem e
com magnificação. Para o ensaio sem magnificação, a distância fonte detector foi de
1300 mm e para o ensaio com magnificação a distância fonte detector foi de 2000 mm,
com distância fonte objeto de 400 mm, gerando um fator de ampliação de 5 vezes.
104
(a)
(b)
Figura 4.44
– Radiografia do corpo de prova de 4 polegadas (a) sem magnificação e (b)
com magnificação.
As Figuras 4.45 a 4.47 mostram radiografias de cortes de tubos de 16 polegadas
sem e com magnificação, utilizando a técnica de PSVS. Para o ensaio sem
magnificação, a distância fonte detector foi de 1300 mm e para o ensaio com
magnificação a distância fonte detector foi de 2000 mm, com distância fonte objeto foi
de 1000 mm, gerando um fator de ampliação de 2 vezes. Em ambos os ensaios, o image
plate utilizado foi o IPC2, fabricado pela GEIT e o scanner foi o CR Tower, também
fabricado pela GEIT.
Os resultados mostraram que há um grande realce das bordas dos defeitos
devido à magnificação, permitindo a visualização de pequenas indicações de vazios sem
desfocagem da imagem. Isso se deve ao aumento da resolução espacial, pois a imagem
será distribuída em uma área maior do detector, gerando uma maior quantidade de
pixels por milímetro.
105
Figura 4.45
– Comparação entre as radiografias sem e com magnificação do corpo de
prova “Sem Defeito 1-1”.
Figura 4.46
– Comparação entre as radiografias sem e com magnificação do corpo de
prova “Falta de Adesivo 7-1”.
106
Figura 4.47
– Comparação entre as radiografias sem e com magnificação do corpo de
prova “Falta de Adesivo 7-2”.
A técnica apresentou melhor visualização dos defeitos devido ao maior realce
das bordas provocado pela ampliação, como dito anteriormente, mesmo utilizando
placas de fósforo de resolução padrão, como o IPC2 e um sistema de radiografia
computadorizada com tamanho de pixel grande, como o CR Tower. Porém o tempo de
exposição foi bastante elevado, devido à baixa intensidade da fonte de raios X
microfocada disponível.
Uma das dificuldades da utilização desta técnica é obter uma fonte de raios X
com tamanho focal que permita ampliar a imagem, sem distorção das bordas, com alta
intensidade, que permita a utilização em peças com maiores espessuras que as testadas
nesse trabalho, pois terão que ser radiografadas as duas paredes da tubulação devido à
falta de acesso a uma só parede. Em fontes de raios X de alta intensidade, a grande
quantidade de elétrons que é gerada não atinge o anodo em uma área pequena, o que
resulta em tamanhos focais da ordem de milímetros. Com um tamanho focal desta
ordem, não é possível obter resultados de ampliação sem distorção de bordas a uma
distância fonte detector praticável. Além disso, a projeção das duas paredes na imagem
irá gerar imprecisões na interpretação na posição dos defeitos da peça. Outra
107
dificuldade é a utilização da técnica no campo, principalmente em ambiente offshore,
pois nem sempre existe espaço suficiente para posicionar a fonte e o detector a distância
necessária da junta para que a imagem seja magnificada.
4.5 – ENSAIOS NO CIRCUITO HIDRÁULICO
4.5.1 – Determinação da Resolução Espacial
Para o levantamento resolução espacial básica foi utilizado um IQI de fio duplo,
de acordo com a norma EN 462-5. A figura 4.48 mostra a radiografia do IQI de fio
duplo para a técnica de PDVS em uma das juntas, com a presença de água na parte
interna do circuito. O valor obtido de Resolução Espacial Básica foi de 100 µm, ou seja,
não houve alteração neste parâmetro devido à influência da água.
Figura 4.48
– Imagem e perfil do IQI de fio duplo.
108
4.5.2 – Ensaios de Detecção de Defeitos
Devido à utilização de um novo tubo de raios X, os parâmetros de exposição
tiveram que ser ajustados para os ensaios das juntas sem água e conseqüentemente para
as juntas radiografadas com a presença de água na tubulação. A tensão foi mantida em
70 kV, a corrente em 3 mA e os tempos de exposição são os mostrados da Tabela 4.7.
Tabela 4.7
– Tempos de Exposição (s)
Sem Defeito
Falta de Adesivo
Falta de Adesão
Sem Água 5 5 13
Com Água
30 30 60
Os tempos de exposição diferentes para as juntas de falta de adesivo e sem
defeito e para as juntas de falta de adesão devem-se a geometria das juntas no circuito,
como pode ser mostrado na figura 3.20. As juntas em curva possuem uma espessura
menor do que as juntas retas, e essa diferença de espessura resulta na utilização de
tempos de exposição diferentes.
As Figuras 4.49 a 4.60 mostram as imagens radiográficas das juntas de falta de
adesão, falta de adesivo e sem defeito, nas quatro posições, para o circuito sem e com a
presença de água.
109
a) b)
c) d)
Figura 4.49
– Radiografia da junta com falta de adesão 1, sem (superior) e com
(inferior) água. a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
110
a) b)
c) d)
Figura 4.50
– Radiografia da junta com falta de adesão 1, sem (superior) e com
(inferior) água, processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição
0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
111
a)
b)
c)
d)
Figura 4.51
– Radiografia da junta com falta de adesão 2, sem (superior) e com
(inferior) água. a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
112
a) b)
c) d)
Figura 4.52
– Radiografia da junta com falta de adesão 2, sem (superior) e com
(inferior) água, processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição
0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
113
a)
b)
c) d)
Figura 4.53
– Radiografia da junta com falta de adesivo 1, sem (superior) e com
(inferior) água. a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
114
a) b)
c) d)
Figura 4.54
– Radiografia da junta com falta de adesivo 1, sem (superior) e com
(inferior) água, processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição
0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
115
a) b)
c)
d)
Figura 4.55
– Radiografia da junta com falta de adesivo 2, sem (superior) e com
(inferior) água. a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
116
a) b)
c) d)
Figura 4.56
– Radiografia da junta com falta de adesivo 2, sem (superior) e com
(inferior) água, processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição
0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
117
a) b)
c) d)
Figura 4.57
– Radiografia da junta sem defeito 1, sem (superior) e com (inferior) água.
a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
118
a) b)
c) d)
Figura 4.58
– Radiografia da junta sem defeito 1, sem (superior) e com (inferior) água,
processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição 0-1, b) posição 1-
2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
119
a) b)
c)
d)
Figura 4.59
– Radiografia da junta sem defeito 2, sem (superior) e com (inferior) água.
a) posição 0-1, b) posição 1-2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
120
a) b)
c) d)
Figura 4.60
– Radiografia da junta sem defeito 2, sem (superior) e com (inferior) água,
processadas com o filtro computacional “Enhance Details”. a) posição 0-1, b) posição 1-
2, c) posição 2-3 e d) posição 3-0.
121
Nos ensaios realizados no circuito hidráulico, em todas as imagens radiográficas
foi possível observar os furos do padrão de sensibilidade, porém com menor nitidez
quando há a presença de água no interior da tubulação, devido às interações de
espalhamento da radiação. Tanto nas imagens sem água quanto nas com água, não
foram detectados vazios nas juntas de falta de adesivo e sem defeito, apenas algumas
indicações nas juntas de falta de adesão. Nestas juntas, os defeitos detectados foram os
mesmos nas imagens com a tubulação vazia e cheia. Na junta de falta de adesivo 1,
pode ser percebido que não houve o perfeito acoplamento dos componentes, levando a
crer que aconteceu alguma falha no processo de montagem.
A tabela 4.8 mostra os valores de SNR
N
obtidos em cada uma das imagens.
Tabela 4.8
– Valores de SNR
N
para as imagens radiográficas da juntas coladas.
Falta de Adesão Falta de Adesivo Sem Defeito
Junta 1 Junta 2 Junta 1 Junta 2 Junta 1 Junta 2
Com
Água
Sem
Água
Com
Água
Sem
Água
Com
Água
Sem
Água
Com
Água
Sem
Água
Com
Água
Sem
Água
Com
Água
Sem
Água
224 176 220 166 191 139 176 135 179 142 175 129
191 192 223 181 181 140 188 129 176 122 177 126
187 177 226 173 187 124 184 180 196 144 166 128
232 175 227 184 183 137 192 179 200 156 150 153
A análise destas imagens mostrou, assim como nas anteriores, que a SNR
N
apresentou valores superiores aos requeridos em normas para materiais metálicos,
obtendo qualidade satisfatória para a análise de detecção de defeitos.
Em todos os ensaios, a resolução espacial básica (BSR) foi obtida apenas no
sentido paralelo a varredura do laser. Isso se deve ao fato de neste sentido a resolução
ser pior do que no sentido perpendicular a varredura do laser, impondo-nos o limite de
resolução das imagens geradas. Apesar do tamanho de pixel ser de 50 µm, o valor de
BSR de 100 µm foi obtido devido a fatores que podem influenciar na resolução, como a
distância fonte detector pequena (480 para o tubo de 16 polegadas e 191 mm para o tubo
de 4 polegadas) e a espalhamentos no interior da peça devido a sua geometria cilíndrica.
122
CAPÍTULO 5
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Neste capítulo serão apresentadas as conclusões acerca dos resultados obtidos e
as sugestões para desenvolvimentos futuros.
5.1 - CONCLUSÕES
Os experimentos realizados mostraram a viabilidade da utilização das técnicas
radiográficas para a inspeção de juntas coladas de dutos compósitos com resina epóxi.
Em todos os testes realizados, para os diâmetros de 4 e 16 polegadas, foram
detectados os furos passantes do padrão de sensibilidade. Isso mostra que é possível
detectar pequenas regiões de falta de adesivo e este padrão pode ser utilizado como
indicador de qualidade de imagem para a avaliação da sensibilidade radiográfica em
materiais compósitos, em analogia com os IQIs de furos usados nas radiografias de
materiais metálicos.
Para os testes de laboratório com os corpos de prova de 16 e 4 polegadas, os
melhores resultados foram para a tensão de 60 kV, porém o tempo de exposição para
esta técnica foi muito elevado em relação às demais. Assim, a técnica definida para a
realização deste tipo de inspeção foi com tensão de 70 kV.
Os corpos de prova com falta de adesão, assim como nos sem defeitos,
apresentaram o mesmo tipo de indicação de vazios. Porém a falta de adesão não pode
ser claramente identificada. Como a junta possui a quantidade correta de adesivo e
somente não há adesão, o espaçamento entre a camada de adesivo e a parede do duto
não foi visível na radiografia, pois as camadas estão sobrepostas na imagem.
Os experimentos com a adição de elementos de contraste radiográfico mostrou
bastante eficácia na detecção de indicações de vazios, devido ao maior realce entre as
regiões sem ou com pouco adesivo e a cola, pois esta teve o seu coeficiente de absorção
123
aumentado com a inclusão de elementos de alto número atômico na mistura.
Deve-se ressaltar que as imagens obtidas por radiografia computadorizada
mostram as mesmas indicações que as imagens com radiografia convencional, que é a
técnica radiográfica utilizada atualmente para a inspeção destes tipos de
descontinuidades. Assim, a técnica de radiografia computadorizada pode ser validada
como ferramenta de inspeção de materiais compósitos. A técnica mostrou-se ainda ser
capaz de detectar descontinuidades em juntas em operação, ou seja, com a presença de
fluidos no interior da tubulação. Esse fato é de grande vantagem, pois não há a
necessidade de parar a produção e esvaziar a linha para a execução da inspeção.
Com a técnica de radiografia computadorizada foi possível detectar as
indicações de defeitos utilizando uma dose de radiação bastante reduzida (cerca de
25%) em relação a dose com radiografia convencional. Outra vantagem com relação a
esta técnica é a possibilidade de processamento da imagem através de filtros
computacionais. Estes filtros mostram-se de grande utilidade na detecção das indicações
de defeitos, gerando imagens com grande realce no contraste.
5.2 – SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Realização de novos ensaios em juntas coladas com elementos de contraste
inseridos no adesivo, variando o percentual do contraste na mistura, para a
verificação da quantidade ótima para a obtenção de melhores resultados de
detectabilidade. A técnica radiográfica de PDVS deve também ser estudada
futuramente, já que é a técnica que será empregada em situações reais de
inspeção.
Realização de novos ensaios com magnificação para a técnica radiográfica de
PDVS visando determinar a melhor geometria para a inspeção. É necessário
também estudar outros tipos de fontes de pequeno tamanho focal com maior
intensidade que a utilizada nesse trabalho para que a inspeção seja realizada com
tempos de exposição praticáveis.
124
Realização de inspeção para juntas em serviço contendo defeitos reais para a
avaliação da detectabilidade do sistema.
Desenvolvimento de um IQI para a avaliação do contraste radiográfico, de
acordo com normas para radiografia de materiais metálicos, seguindo o estudo
realizado neste trabalho com o padrão de sensibilidade.
Realização de ensaios em juntas coladas utilizando fontes de radiação γ, visando
avaliar sua influência na detectabilidade dos defeitos. A utilização de
radioisótopos é mais prática que equipamentos de raios X, principalmente em
ambiente offshore devido à dificuldade de acesso, porém deve-se determinar o
isótopo com energia adequada para a inspeção de materiais de baixo número
atômico como os compósitos.
125
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABDALLA F. H. et al, “Design and Fabrication of Low Cost Filament Winding
Machine”,
Materials and Design
, vol. 28, pp. 234-239, 2007.
ANDREUCCI, R., “
A
Radiologia Industrial
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