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APLICAÇÃO DA TÉCNICA DE CORRENTES PARASITAS
PARA DETECÇÃO DE TRINCAS EM JUNTAS SOLDADAS DE
AÇO CLADEADO (X65 + UNS 625)
Kayro de Souza Aguilar
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de Materiais da Escola
Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos
necessários à obtenção do título de Engenheiro.
Orientadores: Gabriela Ribeiro Pereira
Cesar Giron Camerini
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2014
ii
iii
Aguilar, Kayro de Souza
Aplicação da técnica de correntes parasitas para detecção de
trincas em juntas soldadas de aço cladeado (X65 + UNS 625)/ Kayro
de Souza Aguilar – Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.
vii, 79 p.: il.; 29,7cm
Orientadores: Gabriela Ribeiro Pereira e Cesar G. Camerini
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia de Materiais, 2014.
Referencias Bibliográficas: p. 77-79.
1. Aço cladeado 2. Correntes parasitas 3. Trincas de fadiga.
I. Pereira, Gabriela Ribeiro e Camerini, Cesar Giron. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia
de Materiais. III. Aplicação da técnica de correntes parasitas
para detecção de trincas em juntas soldadas de aço cladeado
(X65 + UNS 625)
iv
Dedicatória
Dedico esse trabalho a minha mãe sem a qual eu nunca teria chegado até aqui.
v
Agradecimentos
Aos meus pais Anisio Marcos de Aguilar Cruz e Maria Georgina de Souza por todo o
apoio e pela educação que me deram, o que me fez chegar aqui. A minha irmã
Raynan de Souza Aguilar que mesmo sendo mais nova consegue me inspirar a ser
uma pessoa melhor e que sem ela nada seria a mesma coisa. Ao meu primo Jeferson
de Souza Carvalho por compartilhar esses anos juntos sob o mesmo teto e mesmo
assim ainda conseguirmos sermos amigos.
Gostaria de agradecer aos meus veteranos e amigos Richard Max, meu eterno
presidente, Camila Maria, cuja alegria me inspira e que sem a qual eu não teria
passado tão bem pela faculdade, Larissa Ribeiro, uma veterana que um dia espero
estar à altura, Arthur Costa, um grande amigo, e Juliana Lima, uma amiga que
passou por muita coisa comigo.
Aos meus amigos que entraram comigo Thais Pintor, uma irmã na faculdade que eu
nunca vou esquecer, Rafaella Perdone, uma amiga que eu espero ter pra sempre,
Rafael Furtado, um amigo que fez da faculdade um lugar mais divertido e Luis
Fernando Iglesias, um amigo que sempre que pode esteve pronto para ajudar.
Quero agradecer também a Atlética e a Torcida Organizada Cachorrada do Fundão
por me trazerem de volta o amor pelo esporte e em especial aos meus presidentes
Ricardo Fiuza, Thiago de Lima e Rafael Barros, pelo que fizeram e pelo que ainda
fazem, ao Anderson “Zulu” que sem ele nada funcionaria, ao eterno chefe da torcida
Wallace Ronda e a todos que jogaram e torceram comigo e que fizeram parte das
nossas conquistas.
Quero agradecer também a minha veterana e acima de tudo amiga Fernanda Luz da
Silva por ser uma pessoa muito especial pra mim, por me inspirar e estar sempre do
meu lado, principalmente nos últimos anos de faculdade, que sem ela muita coisa não
teria feito sentido, eu não teria tido a força necessária para continuar e que no final
tudo não teria sido tão bom ter passado pela engenharia.
vi
Por último, mas não menos importante gostaria de agradecer a todos os professores
da METALMAT que fizeram parte do meu aprendizado, não só acadêmico mas
pessoal, e em especial aos meus orientadores Cesar Giron Camerini e Gabriela
Ribeiro Pereira que me deram a oportunidade de estar nesse projeto.
vii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro de Materiais.
Aplicação da técnica de correntes parasitas para detecção de trincas em juntas
soldadas de aço cladeado (X65 + UNS 625)
Kayro de Souza Aguilar
Fevereiro/2014
Orientadores: Gabriela Ribeiro Pereira e Cesar G. Camerini
Curso: Engenharia de Materiais
A descoberta de petróleo em águas profundas vem movimento a indústria do petróleo
nacional, exigindo que novas tecnologias sejam desenvolvidas nos mais diversos
setores da engenharia. Um exemplo desse desenvolvimento são os materiais
cladeados que consistem na junção de um material base que confere resistência
mecânica, e uma liga resistente à corrosão. No presente trabalho o material utilizado
foi um Clad, com material base de um aço API X65 e para liga resistente à corrosão,
INCONEL 625. Apesar das excelentes propriedades apresentadas por este material
existem também alguns problemas associados. O maior deles é a formação de trincas
de corrosão-fadiga na região da raiz da solda dos tubos. Para o presente trabalho foi
utilizada a técnica de correntes parasitas com o intuito de verificar a possibilidade de
detectar trincas na região da raiz da solda e a viabilidade de reprodução das sondas
para acoplar a instrumentos de alto desempenho. Para isso foram produzidos corpos
de prova com entalhes de eletroerosão com diferentes aberturas e profundidades e
corpos de prova com trincas de fadiga de INCONEL 625, sendo inspecionado com
uma sonda comercial e uma sonda produzida em laboratório. A partir dos dados
obtidos das varreduras foi visto que uma sonda de correntes parasitas tem a
capacidade de detectar defeitos no material cladeado estudado, mesmo na presença
da solda.
Palavras-chave: aço cladeado, correntes parasitas, trinca de fadiga.
viii
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfilment of
the requirements for degree of Materials Engineer.
Application of eddy current technique to detect cracks in welded joints of clad steel
(X65 + UNS 625)
Kayro de Souza Aguilar
February/2014
Advisors: Gabriela Ribeiro Pereira e Cesar G. Camerini
Course: Materials Engineering
The discovery of oil in deep water is moving the national petroleum industry,
requiring that new technologies are developed in various sectors of engineering. An
example of this development is the clad materials, which consist of the junction of a
base material which provides mechanical strength and a corrosion resistant alloy. In
the present work the material utilized was Clad material based on an API X65 steel
and corrosion resistant alloy, INCONEL 625. Despite the excellent properties
presented by this material there are also some problems associated with it. The
biggest one is the formation of corrosion fatigue cracks in the root region of the weld
of the pipes. For the present work the technique of eddy currents in order to verify
the possibility of detecting cracks in the region of the root of the weld and the
feasibility of reproducing probes for coupling to high-performance instruments was
used. For this, test specimens with EDM notches with different depths and openings
and specimens with fatigue cracks of INCONEL 625 were produced, being inspected
with a commercial and a produced in the laboratory probes. From the data obtained
from the scans has been seen that an eddy current probe has the ability to detect
defects in the clad material studied even in the presence of the weld.
Keywords: clad steel, eddy current, fatigue cracks.
ix
SUMÁRIO
I. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 10
II. Revisão Teórica ......................................................................................................... 19
II. 1. Correntes parasitas .............................................................................................. 19
II. 1. 1. Histórico ...................................................................................................... 19
II. 1. 2. Princípios físicos ......................................................................................... 19
II. 1. 3. Plano de impedância .................................................................................. 21
II. 1. 4. Propriedades que influenciam no ensaio de correntes parasitas ................. 23
II. 1. 5. Tipos de sondas de correntes parasitas ........................................................ 28
II. 1. 6. Aplicações ................................................................................................... 31
II. 2. Material cladeado ............................................................................................... 34
II. 2. 1. Introdução ................................................................................................... 34
II. 2. 2. Propriedades ................................................................................................ 34
II. 2. 3. Métodos de produção .................................................................................. 36
II. 2. 4. Aplicações industriais do cladeamento ....................................................... 42
III. Revisão bibliográfica ................................................................................................ 44
IV. Materiais e Métodos ................................................................................................. 54
IV. 1. Corpos de prova ................................................................................................ 54
IV. 2. Análise do material ........................................................................................... 57
IV. 3. Sondas de correntes parasitas ............................................................................ 60
IV.4. Métodos de análises dos dados obtidos.............................................................. 62
V. Resultados e Discussão. ............................................................................................. 66
V. 1. Detecção de trincas em aço cladeado ................................................................. 66
V. 2. Comparação sonda comercial e sonda fabricada em laboratório ....................... 69
1.1 V. 3. Detecção de trincas de fadiga e de defeitos na região da solda.................... 71
VI- Conclusão ................................................................................................................. 76
10
I. INTRODUÇÃO
A descoberta de petróleo em águas profundas apresentada há alguns anos pela
PETROBRAS na região do pré-sal vem movimentando a indústria do petróleo
nacional, exigindo que novas tecnologias sejam desenvolvidas nos mais diversos
setores da engenharia.
Aços especiais já estão sendo usados na construção de diferentes equipamentos do
sistema de exploração de óleo em meio marinho. Uma instalação submarina, por
exemplo, possui diferentes estruturas para operação: os poços, os equipamentos
subsea, os dutos (flexíveis, rígidos), conexões flangeadas, umbilicais entre outros. Na
Figura 1.1 esta ilustrado um exemplo de uma instalação submarina e algumas
estruturas da mesma [1].
Figura 1.1, Visão de uma instalação submarina [1].
Dentro da estrutura geral de exploração, considerando todos os risers rígidos que
atualmente existem podem chegar a somar 2000 km de linhas construídas. Na
estrutura de produção no mar, destacam-se os dutos de produção e de exportação de
11
óleo e gás. Normalmente estes dutos são compostos por diferentes partes, que podem
se dividir em [1]:
Os Tight Fit Pipe(TFP) e os Tight Fit Tubing(TFT) risers flexíveis ou rígidos
[1];
O trecho flowline, cuja tendência é ser de material rígido [1];
Os acessórios como plets, plems, anms e etc. [1];
Estas linhas possuem características especiais, que em certas ocasiões limitam o
cenário das ferramentas de inspeção não destrutiva interna, como os PIGs
instrumentados. Nos projetos atuais destes dutos estão previstas as seguintes
características:
Constituição de dutos multidiâmetros, onde o riser possui diâmetro
significativamente menor que o trecho flow. Isto dificulta muito a inspeção com os
PIGs normalmente encontrados no mercado;
Grandes espessuras - entre 1.125 – 1.5 polegadas. Estas espessuras associadas
com dutos de diâmetros médios e pequenos dificultam e muitas vezes inviabilizam o
uso de PIGs MFL (Magnetic Flux Leakage), pois não é simples a magnetização até a
saturação da parede sob inspeção;
No caso dos gasodutos, a tecnologia de inspeção ultrassônica convencional não
se aplica, uma vez que esta tecnologia necessita de acoplamento acústico via meio
líquido;
Muitos dutos serão de materiais dissimilares, com uso de clads ou liners. Nestes
casos, as tecnologias convencionais disponíveis no mercado, não se aplicam. O que
faz com que tecnologias alternativas como as correntes parasitas despontam como
alternativas interessantes a serem utilizadas;
Normalmente são longas distâncias de inspeção (200-400 km), o que exige que a
ferramenta de inspeção tenha muitas horas de autonomia e que seja construída com
peças robustas para suportar longas horas de atrito;
Pressão interna de 250 bar para o transporte de gás e 200 bar para o transporte de
óleo;
12
Uma boa técnica e ferramenta de inspeção para estes casos deverão contemplar:
Estruturas que se adequem as mudanças de diâmetro.
Envolver tecnologias híbridas, de forma tal que no mesmo corpo da ferramenta,
mais de um método de inspeção esteja presente;
Tenha o foco principal na superfície interna do duto, uma vez que ali é esperada
a ação principal do fluido corrosivo.
Os problemas que colocam em risco a integridade estrutural das instalações no meio
marinho são entre outros, a corrosão galvânica, a fadiga, a corrosão-fadiga e a
fragilização por hidrogênio. As ferramentas disponíveis no mercado são em geral
para detectar corrosão galvânica localizada e generalizada. Nos materiais especiais
que estão nos novos projetos existe a forte expectativa de outros tipos de defeitos,
como trincas de corrosão sob tensão e pites, tanto nos revestimentos, como no aço
estrutural carbono-manganês. A lista de necessidades de inspeção não destrutiva na
indústria de exploração de petróleo é extensa, porém a presente proposta pretende
selecionar um grupo limitado de problemas considerados mais críticos do ponto de
vista operacional.
Para diminuir esses problemas a indústria siderúrgica vem aprimorando a evolução
de aços especiais, conseguindo ligas especiais ao adicionar teores de cromo, níquel e
molibdênio na liga básica de aços carbono. Podem-se destacar algumas ligas
utilizadas na indústria do petróleo:
Aços austeníticos (AISI 304, AISI 316)
Aços superausteníticos (28Cr)
Aços inoxidáveis martensíticos (13Cr)
Aços inoxidáveis duplex (22Cr, 5Ni, 2Mo)
Aços inoxidáveis super duplex (25Cr, 7Ni, 3Mo)
Aços cladeados. Com revestimento UNS 625, UNS 825 ou AISI 316L
A figura 1.2 mostra um diagrama comparativo da resistência à corrosão de alguns
destes materiais, deixando claro que seriam os materiais cladeados tanto
mecanicamente (TFP, TFT e Clad pipes) os que podem suportar maiores esforços
13
durante a operação, conservando mesmo nível de resistência à corrosão dos aços de
uma liga única especial. Devido a estas características estes materiais vêm ganhando
cada vez mais relevância nos empreendimentos do Pré-sal, um exemplo, são os
projetos de exploração dos campos Guará e Lula NE que contemplam uma
considerável malha de dutos cladeados. Contudo, a inspeção não destrutiva destes
aços não é um assunto trivial de abordar. Inclusive, tal dificuldade foi um dos
principais pontos que motivou/originou o projeto de graduação.
Figura 1.2, Diagrama de comparação da resistência à corrosão em função da
resistência mecânica das ligas especiais utilizados na exploração de óleo no Pré-sal
(adaptado de [1]).
Os aços cladeados são constituídos de um material base e um revestimento de uma
liga resistente à corrosão normalmente referenciado pela sigla CRA, do inglês,
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Corrosion Resistant Alloy. Combinando assim as propriedades mecânicas do
material base com a resistência à corrosão do material do revestimento. Estes aços
são normalmente divididos em dois grupos: os aços cladeados metalurgicamente
(Clad) e os aços cladeados mecanicamente (Liner), os aços TFP e TFT na Figura 1.2
são Liners. Como o próprio nome sugere, no primeiro grupo existe uma ligação
metalúrgica por difusão entre a liga resistente a corrosão e o material base, enquanto
que, no Liner esta ligação metalúrgica não é encontrada. No presente trabalho
somente iremos trabalhar com os materiais cladeados que possuem ligação
metalúrgica. A figura 1.3 apresenta um esquema de um material cladeado e uma
fotografia de um tubo cladeado metalurgicamente.
Figura 1.3, A: Esquema do material cladeado. B: Tubos cladeados [2].
Dentre os materiais utilizados nas CRAs dos tubos cladeados para exploração
offshore, pode-se destacar o aço inoxidável austenítico 316L e as ligas de níquel,
Inconel 625 e Incoloy 825. No entanto, apesar de ser possível encontrar tubulações
revestidas com qualquer um desses materiais, alguns deles apresentam determinadas
limitações quando utilizados em tubulações que operam no meio marinho, por
exemplo, o aço inoxidável austenítico 316L pode sofrer corrosão pela água do mar,
durante o teste hidrostático e lançamento. O Incoloy 825 também não é totalmente
resistente à água do mar. Portanto, no caso de tubulações para exploração offshore, o
Inconel 625 tem se mostrado a liga mais propícia para revestir o material base.
15
Tratando-se do material responsável pela resistência mecânica (material base ou host
material), o aço C-Mn, API 5L X65, vem sendo o mais utilizado nos tubos
cladeados. As principais vantagens são suas propriedades relacionadas à
soldabilidade, resistência mecânica e tenacidade. Deste modo, a combinação de
materiais que tem sido comumente empregada em dutos cladeados (Clad/Liner) para
projetos de exploração offshore no Brasil é: material base de aço C-Mn X65 e CRA
de Inconel 625. A figura 3 apresenta uma foto de uma seção de um clad X65
revestido com Inconel 625. Em destaque é possível visualizar em detalhe a ligação
metalúrgica entre as camadas [1,3].
Figura 1.4, Clad X65 + Inconel 625. Em detalhe a ligação metalúrgica entre os
materiais.
Mesmo com todas as vantagens, os materiais cladeados apresentam problemas
associados a eles. O principal problema encontrado na aplicação desses materiais
16
está associado à região da raiz da junta soldada transversal de conexão dos tramos de
risers fabricado com Clad X65 + Inconel 625. Devido ao processo de fadiga que as
tubulações offshore são submetidas durante o lançamento e serviço é possível que
trincas de corrosão fadiga nucleiem na região de interface da raiz da solda com a
CRA.
A figura 1.5 apresenta um desenho de uma junta soldada transversal de um Clad de
X65 com CRA de Inconel 625. Na vista de seção A-A, nota-se uma região destacada
com um retângulo pontilhado, onde, a imagem ao lado, corresponde exatamente ao
aumento desta região destacada. Nesta imagem aumentada é possível visualizar o
cordão de solda de Inconel 625, bem como a região onde as trincas de corrosão
fadiga podem ser preferencialmente encontradas (região de interesse para inspeção).
É importante observar, que se uma trinca de corrosão fadiga se propagar ao longo da
CRA, atingindo então o aço, as consequências podem ser bastante nocivas à
integridade do equipamento, dado que as propriedades de resistência à corrosão da
liga de Ni e do aço são bem distintas.
Figura 1.5, Junta soldada de Clad X65 + Inconel 625. Em destaque à direita a região
de interesse para inspeção.
A figura 1.6a apresenta uma macrografia de uma junta soldada de um Clad X65 +
Inconel 625. Na imagem está destacado o aço carbono, a solda de Inconel 625, a
17
ligação metalúrgica, Clad, entre o Inconel 625 e o aço C-Mn, e, a região de interesse
para inspeção (novamente destacada em vermelho). Na figura 1.6b, são apresentadas
trincas típicas de corrosão fadiga.
Figura 1.6, a) Junta soldada de um Clad X65 + Inconel 625. Em destaque (quadrado
vermelho) a região de interesse para inspeção [4]. b) Trincas características do
processo de corrosão fadiga e suas dimensões.
O fato das trincas de corrosão fadiga estarem na região de interface da raiz da solda
com o metal base, juntamente com as pequenas dimensões apresentadas pelas trincas,
são algumas das dificuldades para inspeção deste tipo de defeito. Além disso,
dimensionar a altura da trinca pode ser outro complicador. Contudo, como um riser
em operação pode conter cerca de 400 juntas soldadas deste tipo, é de extrema
importância que se tenha uma ferramenta de inspeção que seja capaz de detectar este
tipo de trinca quando o equipamento estiver em operação, ou seja, uma ferramenta de
inspeção que possa ser acoplada a um PIG e que seja eficiente para a detecção de
trincas de fadiga na região da solda.
Para resolver esse problema o presente trabalho estuda a viabilidade da detecção de
trincas na região da solda de placas cladeadas por correntes parasitas, que em
detrimento de outras técnicas poderia ser acoplada a ferramentas de inspeção de alto
desempenho como PIGs que poderiam ser utilizados mesmo com os desafios
18
apresentados anteriormente e apresenta alta aplicabilidade para detecção de
microtrincas superficiais orientadas axialmente às tubulações.
19
II. Revisão Teórica
II. 1. Correntes parasitas
II. 1. 1. Histórico
O teste por correntes parasitas se originou com a descoberta de Michael Faraday do
eletromagnetismo em 1831, Faraday que foi um químico inglês durante o começo do
século XIX leva o crédito da descoberta da indução eletromagnética, rotações
eletromagnéticas, o efeito óptico-magnético, diamagnetismo, entre outros. Em 1879,
um cientista chamado Hughes registrou mudanças na propriedade de uma bobina
quando colocada em contato com metais de diferentes condutividades e
permeabilidades. [5]
A primeira aplicação da técnica foi em 1881 quando Graham Bell tentou localizar
uma bala de revolver alojada no corpo do presidente dos Estados Unidos Garfield. Já
por volta de 1930 começaram a utilizar a técnica como uma simples forma de separar
metais de diferentes condutividades. As aplicações industriais para outras finalidades
somente foi difundida nos anos 1950 e 1960 quando o Dr. Friedrich publicou suas
pesquisas sobre caracterização dos materiais e o conceito do diagrama de
impedância, sendo usada particularmente na indústria aeronáutica e nuclear. [5,6]
II. 1. 2. Princípios físicos
Inspeção por correntes parasitas é um dos muitos métodos de testes não destrutivos
que utilizam os princípios do eletromagnetismo como base, sendo a principal
diferença entre os métodos a frequência de trabalho, que no caso da técnica da
técnica de correntes parasitas é entre 100 Hz e 10 MHz. [7]
A técnica de correntes parasitas se baseia nos princípios da indução eletromagnética.
Um entendimento completo dos princípios físicos da técnica se daria pelo estudo
através das equações de Maxwell, porém os princípios básicos da técnica podem ser
entendidos de modo qualitativo. [7]
20
A técnica de correntes parasitas é baseada no fato que a partir da excitação de uma
bobina por uma corrente alternada gerando um campo magnético quando a mesma é
colocada próxima a um material condutor gera uma resposta na bobina criando uma
variação de impedância na bobina. Quando a bobina alimentada pela corrente
alternada se aproxima de um material condutor são geradas nesse material uma
corrente induzida segundo a lei de Lenz, o que gera um campo eletromagnético que
se opõe ao campo primário gerado pela bobina, fazendo assim com que haja uma
alteração na indutância da bobina. Acompanhando a mudança de indutância há uma
alteração na resistência da bobina devido ao fato que as perdas associadas as
correntes parasitas na peça devem acompanhar a fonte da excitação primaria. Logo a
presença de uma descontinuidade ou heterogeneidade na peça inspecionada que
esteja orientada perpendicular a direção das correntes parasitas causa uma variação
na impedância pela redistribuição das correntes parasitas em torno das mesmas. [7]
Figura 2.1, variação da do campo magnético da bobina ao se aproximar de uma placa
condutora, (a) geração das correntes parasitas, (b) diminuição do campo primário
devido ao campo induzido e (c) variação no campo devido a presença de um defeito.
(Adaptado de [5])
21
As vantagens da inspeção pela técnica de correntes parasitas em relação a outras
técnicas não destrutivas são [5]:
Sensibilidade a pequenas trincas e defeitos;
Detecção de defeitos superficiais e subsuperficiais;
A inspeção gera resultados imediatos;
Equipamentos portáteis;
Técnica pode ser usada para diversas aplicações além de detecção de defeitos;
Pouca ou nenhuma preparação de superfície é necessária;
A sonda de inspeção não precisa necessariamente estar em contato direto com a
peça;
Pode inspecionar peças de geometrias complexas e de diferentes tamanhos.
As desvantagens da inspeção pela técnica de correntes parasitas em relação a outras
técnicas não destrutivas são [5]:
Sensível a defeitos orientados perpendicularmente as correntes parasitas;
É usada somente para materiais condutores;
A superfície deve estar acessível à sonda;
É necessário uma maior habilidade e treinamento que outras técnicas;
Acabamento da superfície e rugosidade podem causar interferência;
São necessários blocos de referência para calibração;
Profundidade de penetração é limitada.
II. 1. 3. Plano de impedância
Impedância elétrica (Z) é a oposição total que um circuito apresenta a uma corrente.
A impedância, medida em ohms, pode incluir a resistência (R), reatância indutiva
(XL) e reatância capacitiva (XC). Nos circuitos de correntes parasitas normalmente
existem apenas componente de resistência e reatância indutiva e como esses dois
componentes não se encontram em fase, o único modo de se utilizar seus valores
22
como modo de mensurar as suas variações juntamente é utilizando a impedância.
Para um circuito de correntes parasitas com resistência e reatância indutiva, a
impedância total é dada pela equação 1 a seguir [5].
√ Equação 1
A impedância também possui um angulo associada a ela, chamado de ângulo de fase,
que pode ser calculado a partir da equação 2 [5].
Equação 2
O diagrama do plano de impedância é uma forma muito útil para exibir os dados de
inspeção de correntes parasitas devido a sua simplicidade. Como pode se ver na
Figura 2.1, o sinal no plano de impedância das correntes parasitas varia de diferentes
formas em uma grande variedade de situações [5].
Figura 2.2, Respostas de correntes parasitas em diferentes situações no plano de
impedância [5].
23
Quando a sonda de correntes parasitas é balanceada no ar se aproxima de uma peça
de uma material não magnético como o alumínio, a componente resistiva da
impedância cresce devido às correntes geradas no alumínio retirar energia da bobina
e a reatância indutiva decresce devido ao campo magnético criado pelas correntes
parasitas se oporem ao campo da bobina, no caso de haver uma trinca nesse material
menos corrente poderá ser formada aumentando assim a resistência e diminuindo
reatância indutiva, mudanças na condutividade do alumínio ocasionarão variações
diferentes no plano de impedância [5].
E no caso de uma sonda balanceada no ar se aproximando de um material condutor
como aços, as correntes do mesmo modo são criadas retirando energia da bobina
aumentando sua resistência, já em relação à indutância devido à alta permeabilidade
magnética do material concentrar o campo magnético da bobina fazendo com que ele
cresça e sobreponha totalmente o campo gerado pelas correntes parasitas fazendo
assim que haja um aumento na reatância indutiva e a presença de uma trinca ou a
variação da condutividade gerarão efeitos parecidos com o do material não
magnético [5].
II. 1. 4. Propriedades que influenciam no ensaio de correntes parasitas
II. 1. 4. 1. Condutividade elétrica
A condutividade elétrica e a resistividade são duas grandezas elétricas inversamente
proporcionais. O sistema de medida de condutividade I.A.C.S. (International
Annealed Cupper Standard) é tal que o valor da condutividade do cobre puro
recozido e a temperatura de 20°C é mensurada como 100% IACS e tomado como
padrão. No Sistema Internacional, a unidade de condutividade elétrica é S/m
(Siemens por metro), onde S/m = 1 / Ω.m. Na tabela 2.1 são apresentados os valores
da resistividade e da condutividade elétrica de vários materiais [6].
24
Para transformar resistividade (μΩ.cm) em condutividade % IACS, usa a equação 3
[5]:
Equação 3
A condutividade elétrica e uma propriedade característica de cada material. Todavia,
há certos fatores que podem mudar a condutividade de um material. Entre eles estão
a composição do material, tratamentos térmicos, encruamento, endurecimentos, entre
outros. Essas mudanças afetam as correntes parasitas, pois quanto maior a
condutividade maior é o fluxo das correntes parasitas na superfície do material [9].
II. 1. 4. 2. Permeabilidade magnética
A permeabilidade magnética é a capacidade com que um material pode se
magnetizar, ou seja, quanto maior é a sua permeabilidade magnética mais facilmente
o material poderá se magnetizar. Para materiais não magnéticos a permeabilidade
magnética é igual à do ar cujo valor numérico é 1.
Se a intensidade do campo magnético indutor em vários locais varia mesmo que
muito levemente, essas pequenas variações apresentam um grande efeito sobre a
impedância da bobina. Essas variações da impedância da bobina são, muitas vezes,
tão grandes que, em comparação com variações provocadas por mudanças na
condutividade ou dimensões, podem mascaram todas as outras variações. Sendo
assim muito mais comum a utilização da técnica de correntes parasitas em materiais
não magnéticos como alumínio e aços inoxidáveis austeníticos. No caso de materiais
ferromagnéticos, quando a geometria da amostra permite, este efeito pode ser
contornado pela magnetização do material, até atingir a saturação. Usa-se para isso,
uma outra bobina, alimentada por corrente contínua. A saturação magnética
efetivamente elimina quaisquer variações do campo magnético residual [6].
25
II. 1. 4. 3. Profundidade de penetração
Correntes parasitas são ciclos fechados de correntes induzidas circulando em planos
perpendiculares ao fluxo magnético, elas normalmente são paralelas a direção do
enrolamento da bobina e o seu fluxo é limitado pela área do campo magnético
indutor. Essas correntes se concentram próximas a superfície adjacente a bobina de
excitação e sua força cai com a distância da bobina como visto na figura abaixo. A
intensidade decresce exponencialmente com a profundidade, essa queda é chamada
de efeito pelicular, Figura 2.7 [5].
Figura 2.7, Esquema do efeito pelicular, sendo u.c.=unidade de comprimento.
(Adaptado de [9]).
O efeito pelicular aumenta quando as correntes parasitas no objeto de teste produzem
um campo magnético que se opõe ao campo primário, reduzindo assim a rede de
fluxo magnético e causando uma queda no fluxo de corrente quando a profundidade
aumenta. De outro modo, correntes parasitas próximas a superfície podem ser vistas
como escudos para o campo magnético primário da bobina, fazendo com que os
campos magnéticos em maiores profundidades sejam diminuídos e reduzindo assim
as correntes induzidas [5].
26
A profundidade das correntes parasitas que penetram em um material é afetada pela
frequência da corrente alternada, pela condutividade elétrica e permeabilidade
magnética do material inspecionado. A profundidade que a densidade de corrente
diminui em ⁄ ou aproximadamente 37% da densidade da superfície é chamada de
profundidade padrão de penetração ( ) e a profundidade de detecção de defeitos é de
até duas vezes a profundidade padrão. A profundidade padrão de penetração pode ser
aproximada utilizando a equação 4 [5].
√ Equação 4
Onde é a profundidade padrão de penetração em mm, é a frequencia da corrente
alternada da bobina em Hz, é a permeabilidade magnética do material
inspecionado em H/mm e é a condutividade elétrica do material inspecionado em
%IACS [5].
A figura 2.8 abaixo apresenta um esquema da variação da profundidade padrão de
penetração em relação à frequência, condutividade elétrica e permeabilidade
magnética [5].
Figura 2.8, Esquema da variação da densidade de corrente em função da
27
profundidade para altas e baixas frequências, condutividades elétricas e
permeabilidades magnéticas. Adaptado de [5].
Como a sensibilidade de uma inspeção por correntes parasitas depende da densidade
das correntes parasitas no local em que o defeito se encontra é importante saber a
dimensão dessas correntes nesse local. Assim sendo para a detecção de defeitos
usam-se normalmente frequências que façam com que a profundidade esperada do
defeito seja uma profundidade padrão de penetração, o que assegura que a densidade
das correntes parasitas seja grande o suficiente para que ocorra uma indicação do
defeito. Para o caso de medidas de condutividade elétrica são utilizadas frequências
que de um valor de profundidade padrão que igual a 1/3 do tamanho da peça a ser
inspecionada a fim de que não haja influência das correntes parasitas na base do
material [6].
II. 1. 4. 4. Distancia da peça (lift-off)
Uma sonda de correntes parasitas possui uma impedância inicial (impedância no ar)
que depende do design da sonda por si só, sendo assim uma característica da sonda
sendo chamada algumas vezes de impedância de lift-off infinito. Quando a sonda é
movida para próximo de um objeto de teste, há uma mudança na parte real e
imaginaria da impedância, havendo variações do mesmo até que a sonda entre em
contato com a peça, essa é a chamada impedância de lift-off zero [5].
A curva de impedância descrita pelas sondas que movem pelos dois pontos citados
anteriormente é a curva de lift-off e é um fator muito importante a se considerar em
ensaios de correntes parasitas. Por causa da natureza das sondas de correntes
parasitas as curvas de lift-off são não lineares, a mudança do campo é maior próximo
as bobinas, sendo assim em especial para sondas de pequenos diâmetros, nas quais o
campo cai rapidamente, o alcance no qual as medidas podem ser tomadas é muito
pequeno e o efeito do lift-off é acentuado [7].
28
II. 1. 4. 5. Geometria da peça
No uso de correntes parasitas, haverá casos em que, para as condições de ensaio
utilizadas, o campo magnético gerado não consegue inspecionar toda a espessura da
peça, como é mostrado na figura 2.9. Nesse caso, a inspeção de todo o material da
peça que se situar abaixo de uma dada espessura, poderá deixar de detectar
descontinuidades importantes e o objeto ensaiado e considerado muito espesso para
as condições do ensaio (Figura 2.9.a). Pode-se ter a situação em que o objeto
ensaiado apresenta espessura muito fina, de modo que o campo magnético gerado
ultrapassa toda essa espessura, (Figura 2.9.b). Nesse caso um aumento na espessura
do objeto apareceria na inspeção como se houvesse um aumento na condutividade
elétrica do material [6].
Figura 2.9, efeito da espessura no ensaio de correntes parasitas, a) material espesso e
b) Material fino [6].
II. 1. 5. Tipos de sondas de correntes parasitas
As sondas de correntes parasitas estão disponíveis em uma larga variedade de
formas e tamanhos, sendo essa uma das grandes vantagens da técnica, sendo possível
desenvolver diferentes formatos para diferentes aplicações, Figura 2.3.
29
Figura 2.3, diferentes tipos de configurações de sondas de correntes parasitas [8].
Em relação ao modo de operação as sondas podem ser classificadas pelo modo como
a bobina ou as bobinas estão conectadas, onde são normalmente classificadas em
absolutas, diferenciais e reflexivas. Além dessa classificação básica existem bobinas
que combinam as características e que atuam de forma não convencional, as quais
devido as suas características particulares não serão abordadas no presente trabalho.
II. 1. 5. 1. Sonda absoluta
As sondas absolutas utilizam uma única bobina, Figura 2.4, para gerar correntes
parasitas e detectar variações do campo das correntes parasitas. Medindo as
variações na impedância da bobina devido a variações nas correntes parasitas é
possível retirar muitas informações sobre o material testado. Na figura 2.4 é possível
visualizar uma bobina com seu campo magnético gerado [5].
Figura 2.4, exemplo de configuração de bobina para sondas absolutas.
30
Sondas absolutas podem ser usadas para diversas aplicações e são muito usadas
devido a sua versatilidade. Devido a uma sensibilidade grande desse tipo de sonda a
condutividade, permeabilidade, lift-off e temperatura, alguns cuidados devem ser
tomados quando essas variáveis não são importantes para a inspeção a ser realizada.
É muito comum em sondas absolutas comerciais a presença de uma bobina de
referência que compensa variações de temperatura do ambiente [5].
II. 1. 5. 2. Sonda diferencial
Sondas diferenciais são sondas que possuem duas bobinas ativas normalmente
enroladas em direções opostas. Quando as duas bobinas estão sobre uma área sem
defeito do material de teste não há sinal diferencial entre as bobinas já que as duas
estão inspecionando materiais idênticos. Entretanto quando uma bobina está sobre
um defeito e a outra sobre um material sem defeito, um sinal diferencial é produzido,
Figura 2.5, sinal esse que tem uma forma de “8” no plano de impedância após as
duas bobinas passarem pelo defeito. [5]
Figura 2.5, Formação do sinal de uma sonda diferencial, a) sonda acima do material
sem defeito, b) sinal de uma única bobina acima do defeito, c) sinal após as duas
bobinas passarem pelo defeito. Adaptado de [5].
Sondas diferenciais são sondas que têm a vantagem de serem sensíveis a defeitos e
relativamente insensível a pequenas variações de propriedades como variações de
31
temperatura e variações pequenas de dimensão. Oscilação do sinal de lift-off da
sonda também é reduzida com esse tipo de sonda [5].
Uma desvantagem dessa sonda é a dificuldade de interpretação do sinal, como por
exemplo, quando o defeito é maior que o espaçamento entre as duas bobinas somente
as bordas serão detectadas devido ao cancelamento do sinal quando as duas bobinas
se encontrarem acima do defeito [5].
II. 1. 5. 3. Sonda reflexiva
As sondas reflexivas, Figura 2.6, possuem duas bobinas assim como as sondas
diferenciais, a grande diferença é que uma bobina é usada para excitar as correntes
parasitas e a outra é usada para captar as variações no material de teste. Sondas com
esse tipo de arranjo são chamadas de excitadora (driver) e receptora (pick-up) e
podem ser otimizadas separadamente para atender aos requisitos propostos. A bobina
excitadora pode ser otimizada a fim de formar um fluxo de campo forte na
vizinhança da bobina receptora e a bobina receptora pode ser otimizada para ter uma
dimensão adequada para o tamanho do defeito a ser detectado [5].
Figura 2.6, exemplo de sonda reflexiva [5].
II. 1. 6. Aplicações
Equipamentos de correntes parasitas podem ser usados em diversas aplicações
como em detecção de trincas, medidas de espessuras de peças finas, determinar
32
espessura de recobrimentos e medir condutividade elétrica e permeabilidade
magnética.
II. 1. 6. 1. Detecção de defeitos
Inspeção por correntes parasitas é um excelente método para detecção de defeitos
superficiais e subsuperficiais quando a provável localização do defeito e orientação
do mesmo é bem conhecida. Defeitos como trincas são detectadas quando eles
interrompem a passagem da corrente parasita enfraquecendo sua intensidade. As
figuras 2.10.a e 2.10.b abaixo mostram como a intensidade das correntes varia na
presença da trinca para um sonda absoluta sendo a intensidade demonstrada por
cores [5].
Figura 2.10, intensidade das correntes parasitas par uma sonda absoluta a) peça sem
defeito e b) peça com trinca no lado direito[5].
Fatores como o tipo de material, acabamento superficial, condição do material,
design da sonda podem afetar a sensitividade da inspeção. Para uma boa detecção de
defeitos superficiais é necessário que se tenha um bom conhecimento do provável
tipo de defeito, posição e orientação, selecionar adequadamente o tipo de sonda, a
sonda deve ser adequada para a geometria do material a ser inspecionado e deve
selecionar adequadamente os parâmetros de inspeção como a frequência, frequências
altas para defeitos superficiais e frequências baixas para defeito subsuperficiais, e a
voltagem, além disso, deve se utilizar de blocos de calibração de materiais similares
33
aos que forem inspecionados com defeitos que representem as condições a serem
inspecionadas [5].
II. 1. 6. 2. Medida de espessuras
A técnica de correntes parasitas pode ser usada para realizar diversos formas de
medidas dimensionais sem necessitar de acoplantes e em alguns casos nem ao menos
contato com a superfície do material. Exemplos de medidas de espessuras são as de
espessuras de folhas ou placas finas de metal e recobrimento metálicos em substratos
não metálicos, seções transversais de tubos e barras cilíndricas e espessuras de
recobrimentos não metálicos em substratos metálicos (Figura 2.11) [5].
Figura 2.11, Medidas de espessura de recobrimentos não metálicos em substrato
metálico ( adaptado de [5]).
II. 1. 6. 3. Medida de condutividade
Instrumentos de correntes parasitas podem ser usados também para medir
condutividade elétrica. Como a condutividade elétrica é uma propriedade que
depende de fatores como a composição química, estado de tensões e estrutura
cristalina, a medição da condutividade por correntes parasitas é muito utilizada para
inspecionar metais a fim de checar a sua estrutura após tratamentos térmicos [5].
A medida é feita analisando a variação de lift-off e comparando-a com a de materiais
com condutividades elétricas conhecidas. Normalmente essa técnica é utilizada para
materiais não magnéticos devido ao fato que materiais ferromagnéticos geram um
campo que pode sobrepor às variações de propriedades do material [5].
34
II. 2. Material cladeado
II. 2. 1. Introdução
Placas de aços cladeados representam no cenário atual uma alternativa econômica
muito bem aceita para placas de aços. Sendo possível produzir uma combinação de
propriedades mecânicas do material base e resistência a corrosão do material de
contato com o petróleo, utilizando pequenas espessuras dos CRA fazendo com que o
custo e peso seja muito mais baixo comparados a tubos com paredes completamente
de ligas anticorrosivas [10].
II. 2. 2. Propriedades
II. 2. 2. 1. Aço API 5L X65
Os aços utilizados por essa norma são os ARBL (alta resistência baixa liga) que
possuem alta soldabilidade e alta resistência mecânica. São aços de baixo carbono
com teores pequenos de Ti, Nb e V, que associados a um processo de laminação
controlada, dão a resistência mecânica a esses aços por solução sólido dos
microligantes e por refino de grão [11].
A norma API 5L classifica os aços para tubos de aço fornecidos com ou sem costura,
para utilização em oleodutos, gasodutos, minero dutos, processos e outras aplicações
industriais que necessitam de materiais com alta resistência mecânica,
principalmente na área petrolífera. Sendo os aços classificados pelas letras A, B e X
e os números subsequentes determinando o limite mínimo de escoamento em ksi
[12], sendo ksi definido por: .
Além dessa classificação existem dois níveis de especificações que são a PSL1
(Product Specification Level 1) e a PSL2. Sendo o PSL1 utilizada para tubulações
que necessitam de requisitos básicos com níveis mínimos de resistência e limite de
escoamento, enquanto o PSL2 utilizada para tubulações em que se tem alto risco de
vida e de contaminação do meio ambiente e para isso é necessário um controle maior
35
da composição química, carbono equivalente e níveis máximos e mínimos para a
resistência e limite de escoamento [12].
II. 2. 2. 1. Inconel 625
O Inconel 625 é uma liga de níquel-cromo-molibdênio com adição de nióbio que
atua junto com o molibdênio para o endurecimento por solução solida da matriz e
desse modo se obtém uma liga com alta resistência mecânica sem a necessidade de
tratamento térmico de envelhecimento, podendo atingir temperaturas de trabalho de
até aproximadamente . Além disso, essa liga devido aos seus teores de níquel
e cromo consegue resistir a uma grande variedade de meios corrosivos sendo
especialmente resistente ao pite e a corrosão galvânica. Essa liga devido a sua alta
resistência a corrosão e temperatura é muito usada em processamento químicos, na
equipamentos de controle de poluição, reatores nucleares, indústria aeroespacial e de
óleo e gás [13].
Nas tabelas 4 e 5 podemos ver a composição química e as propriedades mecânicas do
Inconel 625 respectivamente.
Tabela 4, composição química do INCONEL 625 em %. (Adaptado de [14])
Níquel 58,0 min.
Cromo 20,0-23,0
Molibdênio 5,0 máx.
Ferro 8,0-10,0
Nióbio (somado a Tântalo) 3,15-4,15
Carbono 0,10 máx.
Manganês 0,50 máx.
Silício 0,50 máx.
Fósforo 0,015 máx.
Enxofre 0,015 máx.
Alumínio 0,40 máx.
Titânio 0,40 máx.
Cobalto 1,0 máx.
36
Tabela 5, propriedades mecânicas do Inconel 625 a temperatura ambiente (adaptado
do [14]).
Limite de resistência a tração 930 MPa
Limite elástico (0.2% de deformação) 517 MPa
Deformação em 50 mm 42,5%
Modulo de elasticidade 207 GPa
Dureza 190 HB
Devido a importância das propriedades elétricas e magnéticas serem importantes
para a aplicação do ensaio de correntes parasitas também foram retiradas da literatura
as propriedades eletromagnéticas do Inconel 625, tabela 6.
Tabela 6, propriedades elétricas e magnéticas do Inconel 625, (adaptado de [14])
Condutividade elétrica 1,34%IACS
Resistividade elétrica 129
Permeabilidade a 200 Oersted
II. 2. 3. Métodos de produção
Existem diversos métodos de produção de Clad. Os mais importantes são os métodos
por laminação, por explosão e por soldagem, ou weld overlay. Sendo que no caso dos
processos de laminação e por explosão a área afetada na região de interface entre o
metal base e o CRA é muito pequena em comparação a soldagem.
II. 2. 3. 1. Soldagem
Cladeamento por soldagem ou cladeamento por weld overlay, consegue depositar
revestimentos com espessuras de aproximadamente 3 mm e pode ser realizado
utilizando diversas técnicas de soldagem, sendo as mais utilizadas as soldagens por
eletrodo revestido, MIG/MAG, TIG e arco submerso [15].
O processo consiste em depositar por soldagem uma camada de um material o qual
pela diluição no substrato consegue se ligar. E muito importante que a zona afetada
37
pelo calor (ZAC) seja controlada a fim de manter o controle de propriedades do
substrato [15].
A limpeza e/ou retificação do substrato antes da soldagem é também um fator muito
importante, pois óxidos e materiais estranhos podem gerar inclusão e defeitos da
solda gerando trincas [16].
Na figura 2.12 abaixo podemos ver um exemplo de cladeamento de tubos. Na figura
2.13 podemos ver um tubo terminado revestido por uma liga de níquel.
Figura 2.12, aplicação de cladeamento por weld overlay em dutos [17].
Figura 2.13, duto cladeado com uma liga de níquel por weld overlay [18].
38
II. 2. 3. 2. Explosão
A técnica de cladeamento por explosão utiliza, como o próprio nome da técnica diz,
explosivos como fonte de energia para produzir uma ligação química entre o metal
base e o CRA. Essa técnica pode ser usada para unir metais que possuem baixa
soldabilidade ou até mesmo que não possuem compatibilidade metalúrgica.
Antes de qualquer coisa as superfícies do material base e do CRA são retificadas e
muitas vezes polidas para diminuir a rugosidade. Após a preparação da superfície as
placas são colocadas paralelas a uma determinada distância de afastamento e são
colocados em contato com o CRA os explosivos, Figura 2.14. A distância de
afastamento é calculada a fim de garantir que a placa do CRA colida com o metal
base após a explosão em uma velocidade de colisão especifica. Também são
controladas a carga e o tipo de explosivos necessários para a união [19].
Figura 2.14, Configuração do metal base, distância de afastamento, material a ser
cladeado (CRA) e explosivo. Adaptado de [16].
A explosão então é iniciada a partir de uma das pontas do Clad a fim de formar uma
explosão direcional que gera ponto de colisão onde a pressão entre as placas é grande
39
o suficiente para retirar uma fina camada dos óxidos da superfície formando um jato
que as expulsas, Figura 2.15, formando uma zona de ligação entre as placas.
Figura 2.15, explosão direcional formando um jato que expulsa os oxidos formando a
interface de ligação [16].
Na Figura 2.16 é mostrada uma interface de uma união por explosão de Zircônio e
Aço carbono.
Figura 2.16, Interface unida por explosão de Zircônio/Aço carbono [19].
40
II. 2. 3. 3. Laminação
Os processos de cladeamento por laminação a quente são responsáveis por mais de
90% da produção de placas de aço cladeados em todo o mundo (aprox. 130.000
t/ano). Em um ciclo normal de produção é necessário que as placas do metal base e
do CRA sejam preparados separadamente, tendo suas superfícies limpas
quimicamente e retificadas a fim de prevenir defeitos nas interfaces de ligação [20].
Em alguns casos é necessário que seja eletro depositada uma camada de ferro ou
níquel na superfície do CRA para que não ocorra a formação de óxidos de cromo,
ajudando na ligação e aumentando a área de ligação entre as placas. E em
determinados materiais são usadas laminas de metal entre o metal base e o CRA para
melhorar a ligação [20].
A ligação entre o metal base e o CRA no caso da laminação é feita através de um
processo difusional que pode gerar endurecimento devido à formação de carbetos e
compostos intermetálicos. Porém para os processos que utilizam a eletrodeposição do
CRA ou a utilização de uma folha metálica na interface dos materiais esse problema
é diminuído significativamente [20].
Após a preparação das superfícies em alguns casos são feitos “sanduíches” de duas
placas de clad, Figura 2.17, que utilizam uma camada de um composto de separação,
como ou em forma de pó, para que as placas não se unam durante a
laminação. Além disso, utiliza se uma barra de espaçamento ou solda para manter as
placas unidas durante o processamento. Essa configuração faz com que os rolos dos
laminadores não entrem em contato com a chapa do CRA diminuindo a
contaminação, além de possibilitar a produção de chapas mais finas de aços
cladeados e compensar as diferenças de expansão térmica entre as placas [20].
41
Figura 2.17, “sanduíche” para produção de Clad por laminação. (Adaptado de [21])
Assim que a preparação termina o material é laminado normalmente a quente, Figura
2.18, e após a laminação são feitos cortes para dimensionamento das placas e
tratamentos térmicos para retornar a condição ideal do aço e do CRA.
No presente trabalho na preparação para a laminação do aço e do CRA a etapa da
formação do “sanduiche” não foi feita, o que não interfere diretamente nas
propriedades finais das placas para a produção de tubos e torna o processo de
cladeamento mais simples.
Figura 2.18, laminação a quente do aço cladeado [21].
42
Vantagens dos aços cladeados por laminação:
Vantagens em comparação a soldagem [22]:
– Melhores condições superficiais
– Sem diluição do metal base
– Composição química homogênea
Vantagens comparadas à técnica de clad por explosão [22]:
– Melhor qualidade de ligação
– Redução das dimensões de solda devido às maiores dimensões
– Uso de placas finas de material cladeado é possível
II. 2. 4. Aplicações industriais do cladeamento
Aços cladeados com ligas resistentes a corrosão estão disponíveis no mercado por
mais de 50 anos em várias formas e estão sendo usadas cada vez mais pelas
indústrias de óleo e gás em oleodutos, Catenary Riser pipes, separadores, manifolds
entre outros [19].
Figura 2.19, subsea manifold de aço cladeado [19].
43
Além das aplicações na indústria de petróleo aços cladeados com ligas resistentes a
corrosão também são utilizados em vasos de pressão, chapas frontais (Figura 2.20.a),
tanques de navios petroleiros (Figura 2.20.b), plantas de dessalinização, plantas de
produção de papel, etc.
Figura 2.20, exemplos de aplicação de clad, (a)chapa frontal e (b) navio petroleiro
[23].
44
III. Revisão bibliográfica
Diversos trabalhos na literatura analisam a técnica de correntes parasitas para a
detecção de trincas de fadiga. Yusa et al [24] utilizou quatro tipos diferentes de
sondas, uma absoluta, uma diferencial uniforme para baixas frequências e uma
diferencial uniforme para altas frequências e uma diferencial plus point, sendo as três
últimas sondas não convencionais produzidas e nomeadas pelo autor, exemplificadas
na figura 3.1, para detectar trincas de fadiga em uma liga de níquel da série 600,
Figura 3.2, em placas.
Figura 3.1, exemplos de a) sondas diferenciais uniformes ( adaptado de [25]) e b)
sonda diferencial plus point. [26].
Figura 3.2, Seção transversal da placa de níquel-cromo com a trinca de fadiga
utilizada para os ensaios por Yusa et al [24].
45
Como se pode ver na Figura 3.3 Yusa et al [24] conseguiu bons resultados para cada
uma de suas sondas, tendo picos associados aos defeitos. Sendo assim ele demonstra
ser possível detectar trinca de fadiga em Inconel 600.
Figura 3.3, Sinais para trincas de fadiga em diferentes sondas e frequências.
Adaptado de [24].
Como forma de avaliação de como o sinal das correntes parasitas se comportam na
presença de um cordão de solda de INCONEL Janousek et al [27] avaliou como que
a condutividade e permeabilidade varia, verificando que a condutividade varia
pouco, entre 7-8% e a permeabilidade não varia, o que demonstra a possibilidade de
utilização da técnica em juntas soldadas Inconel.
A partir da premissa anterior de Janousek em 2006 Yusa et al [28] avaliou a
possibilidade do dimensionamento de defeito na região de uma solda de Inconel com
46
superfícies rugosas. Para isso ele fabricou um corpo de prova, Figura 3.4, com cinco
entalhes de tamanhos e profundidades diferentes, vide tabela G.
Figura 3.4, Corpo de prova utilizado por Yusa. (Unidades em mm) [28]
Tabela 7, Dimensões dos defeitos embutidos na solda. [28]
Largura (mm) Comprimento
(mm)
Profundidade
(mm)
#1 0,9 10 10,0
#2 0,9 10 1,0
#3 0,9 10 0,5
#4 0,9 10 3,0
#5 0,9 10 6,0
Para a detecção das mesmas ele estudou o sinal de seis tipos de sondas diferentes,
Figura 3.5, e a partir da razão S/N, razão entre os picos da amplitude do sinal do
defeito pelo pico do sinal da solda sem defeito que nos da um valor do quanto a
47
sonda consegue resolver o defeito, tabela 8, de cada tipo de sonda ele avaliou a
melhor sonda para detecção do defeito.
Figura 3.5, a) sonda diferencial, b) sonda TR, c) sonda plus point, d) sonda Θ, e)
sonda uniforme e f) sonda uniforme diferencial. (adaptado de [28])
48
Tabela 8, Razão S/N para cada tipo de sonda estudada [28].
Sonda S/N
Sonda diferencial 3,6
Sonda TR 2,0
Sonda Plus Point 6,6
Sonda Θ 3,8
Sonda uniforme 8,3
Sonda uniforme diferencial 14,3
Como podemos notar na tabela 8 a sonda uniforme com sondas diferenciais de
aquisição obteve a maior razão S/N porém para o caso de inversão e
dimensionamento de defeitos por simulação devido a questões de velocidade e
complexidade de processamento a melhor escolha para Yusa foi a utilização da
sonda uniforme com sonda absoluta de aquisição, e assim utilizando um programa
avançado de inversão Yusa conseguiu simular os defeitos, Figura 3.6, demonstrando
ser possível mesmo em superfícies rugosas o dimensionamento de defeitos em soldas
de Inconel [28].
49
Figura 3.6, Comparação entre os sinais medidos e reconstruídos do defeito a) #2, b)
#3 c) #4. Adaptado de [28].
50
Em 2006 Yusa et al [29] completou seu trabalho anterior avaliando também a
detecção de trincas de fadiga em soldas de Inconel por weld overlay, Figura 3.7, a
partir de um entalhe artificial.
Figura 3.7, Corpo de prova utilizado por Yusa com trinca de fadiga. Adaptado de
[29].
Para isso ele utilizou uma sonda uniforme, Figura 3.8, e conseguiu simular os sinais
de forma aproximada, Figura 3.9, gerando dados que demonstram a possibilidade da
utilização da técnica de correntes parasitas em soldas de Inconel para detecção e
dimensionamento de trincas de fadiga.
51
Figura 3.8, Sonda uniforme utilizada no estudo de trinca de fadiga em solda de
Inconel. Adaptado de [29]
Figura 3.9, Sinal Comparação entre os sinais medidos e reconstruídos de uma trinca
de fadiga. Adaptado de [29].
52
Porém como dito na seção anterior o problema desse trabalho é a viabilização da
utilização da técnica para correntes parasitas e sua utilização em equipamento de alto
desempenho e em muitos casos a utilização de sondas não convencionais, mesmo
que sendo muito eficiente em laboratório, a utilização delas em campo não é algo
trivial, ou mesmo possível.
Em relação a utilização de correntes parasitas em equipamentos de alto desempenho,
existem sistemas [30] que utilizam robôs, Figura 3.8, para inspecionar tubulações em
plantas de energia nuclear para detecção de trincas de corrosão sob tensão, porém
para o caso de tubulações de extração de óleo e gás a utilização desses robôs se torna
inviável devido as grades dimensões do robô e a grande extensão dos risers.
Figura 3.8, Robô de inspeção para tubulações de plantas de energia nuclear.
Adaptado de [30].
53
A utilização de pigs para detectar trincas não é ainda aplicado em grande escala,
alguns estudos como o realizado por Chen [31] tentam detectar trincas de corrosão
sob tensão que se encontram em sua maioria longitudinalmente ao tubo fazendo com
que seja possível sua detecção por pigs de MFL (Magnetic Flux Leakage), porém
para a detecção de trincas de fadiga ainda é algo a ser muito estudado também.
E em relação a estudos relacionados a detecção de defeitos em materiais cladeados
poucos estudos foram realizados em materiais para a indústria de petróleo,
aumentando a importância do presente trabalho, um desses trabalhos foi
desenvolvido por Cerqueira [32] que utilizou a técnica de ultrassom phased array na
inspeção de um aço cladeado por soldagem de UNS 625 e aço API 5L X65.
54
IV. Materiais e Métodos
IV. 1. Corpos de prova
Os corpos de prova utilizados no presente trabalho foram produzidos a partir de uma
placa de aço cladeado de 1030mmx1000mmx15mm doada pela Butting®. A placa
foi produzida por cladeamento metalúrgico de co-laminação, formando uma placa
cladeada de material base de um Aço API 5L X65 e com CRA de Inconel 625.
Para uma primeira análise por correntes parasitas foi fabricado um corpo de prova
em uma placa com entalhes de eletroerosão em forma de LNDC, Figura 4.1, cujas
dimensões estão em destaque na Figura 4.2.
Figura 4.1, Corpo de prova com entalhes no formato LNDC
55
Figura 4.2, Dimensões do corpo de prova LNDC.
Após o primeiro corpo de prova foram fabricados corpos de prova em partes da placa
cladeada um bloco de calibração padrão de correntes parasita, Figura 4.3, para
posterior calibração das sondas.
Figura 4.3, Bloco de calibração padrão com entalhes de diferentes profundidades.
56
Como a região de interesse para a inspeção é a região da raiz da solda de materiais
foram fabricados dois corpos de prova a partir da soldagem de duas placas cladeadas,
utilizando a técnica TIG para o cordão e o arco submerso para o preenchimento
como descrito em um EPI que é utilizado em campo, e depois da solda pronta foi
feito em um dos corpos de prova um entalhe por eletroerosão na região próxima à
raiz da solda a fim de simular o problema real. A figura 4.4 mostra o corpo de prova
soldado com o entalhe, a profundidade do entalhe foi de 1 mm, que é a medida da
média de altura de uma trinca real de corrosão fadiga medida em campo e a Figura
4.5 o corpo de prova soldado sem entalhe.
Figura 4.4, corpo de prova soldado com entalhe na raiz da solda.
Figura 4.5, corpo de prova soldado sem entalhe.
Para validar a aplicabilidade da inspeção em trincas de fadiga foi utilizado um corpo
de prova fabricado a partir de uma placa de INCONEL 625 usinado no formato
padrão de ensaio de fadiga CT, Figura 4.6, nele foi feito o ensaio de fadiga até que se
alcançasse um tamanho de trinca de fadiga de 15 mm.
57
Figura 4.6, Corpo de prova de INCONEL 625 com trinca de fadiga.
IV. 2. Análise do material
Diversos ataques foram testados a fim de revelar as estruturas do material base, do
revestimento, da interface do material cladeado e da região soldada. A princípio
foram feitas analises para visualizar cada uma das partes do material cladeado
utilizando para o aço um ataque por imersão com Nital 3% por 15s, Figura 4.7,
podendo assim ver os grãos de ferrita e de perlita do aço carbono.
Figura 4.7, Região da interface atacada para revelar o Aço API 5L X65.
Para a liga de Níquel a princípio foi utilizado um ataque eletrolítico utilizando uma
solução de mais 2 ml de HCl mais 99 ml de etanol com 5V por 15s, Figura
4.8.
58
Figura 4.8, Metalografia INCONEL 625.
Logo após a realização foram feitos ataques para a identificação da região da
interface no material cladeado a fim de demonstrar a ligação metalúrgica para tal
foram utilizados ataques com Nital 3% para revelar o aço o qual não ataca o
INCONEL 625 e um ataque por imersão em água régia por 2 minutos a fim de
revelar o INCONEL, Figura 4.9, para uma melhor visualização dos grãos da
austeníticos do INCONEL na interface.
Figura 4.9, Imagem da interface do material cladeado.
59
Foi realizada também a ponto de caracterização a determinação da variação da
composição química na interface do material cladeado por EDS o resultado pode ser
visto na figura 4.10a e a imagem do MEV associada a essa avaliação na Figura
4.10b.
Figura 4.10, a) variação da composição ao longo da interface e b) pontos referentes a
caracterização da composição química.
60
Além disso, como mostra o gráfico da Figura 4.9b foi feita utilizando o MEV uma
caracterização da composição ao longo da interface do material, no qual se pode ver
que não há uma grande diluição entre os materiais o que é característico dos aços
cladeados por co-laminação.
E para finalizar as análises foram feitas analises metalográficas, Figura 4.11, da junta
soldada dos aços cladeados, para tal ataque foi utilizado um ataque com Nital 3% e
um ataque eletrolítico com ácido crômico com 3V por 30s, dando uma melhor
resolução a região de interface junto com uma boa visualização dos grãos da liga de
níquel.
Figura 4.11, Metalografia da junta soldada utilizada nos experimentos.
IV. 3. Sondas de correntes parasitas
Foram utilizadas nos ensaios do presente trabalho sondas absolutas de correntes
parasitas. Para o teste de viabilidade da aplicação da técnica foi utilizada uma sonda
61
absoluta comercial da ZETEC, Figura 4.12, cuja especificação de diâmetro da bobina
e faixa de frequências de inspeção seria capaz de detectar trincas com as dimensões
especificadas em campo encontradas no material estudado.
Figura 4.12, sonda absoluta comercial da ZETEC.
De modo que além da viabilidade de utilização da técnica para inspeção, a
viabilidade da utilização das sondas de correntes parasitas em PIGs instrumentados
faz parte da motivação do trabalho foi fabricada no próprio laboratório uma sonda
absoluta utilizando a metodologia empregada por Nakagawa [33] que desenvolveu
uma sonda a partir de imagens de raios-X. Foram feitas varreduras com a sonda
fabricada e a sonda comercial a modo de comparação entre as mesmas para verificar
se seria possível fabricar sondas absolutas que seriam acopladas aos PIGs para
detectar os defeitos em campo.
As Figuras 4.13 e 4.14 demonstram respectivamente imagens de raios-X da sonda
absoluta comercial que foram utilizadas para reproduzir a mesma em laboratório e a
sonda absoluta produzida no LNDC utilizada.
62
Figura 4.13, Imagens de raios-X da sonda absoluta comercial.
Figura 4.14, Sonda absoluta fabricada em laboratório.
IV.4. Métodos de análises dos dados obtidos
Os testes iniciais com a placa LNDC para o teste de viabilidade de aplicação das
sondas de correntes parasitas em materiais cladeados foram realizados utilizando a
sonda comercial da ZETEC associada a uma mesa automática de dois eixos, Figura
4.15. As frequências de ensaio foram escolhidas utilizando a equação 4, os
parâmetros da Tabela 6 e escolhendo como profundidade de inspeção 0.5 mm que
63
seria a menor profundidade de entalhe na placa LNDC, Figura 4.2. O valor obtido
pela equação 4 foi de uma frequência de aproximadamente 65 kHz. Logo foram
utilizados os parâmetros de uma voltagem de 4 V pico a pico variando a frequência
do sinal entre 50 e 100kHz em C-scan.
Figura 4.15, a) equipamento de aquisição dos dados da mesa automática e b) sonda
acoplada a mesa de ensaios.
Para a comparação entre a sonda comercial e a sonda fabricada em laboratório foram
utilizados os blocos de calibração, Figura 4.3, e um circuito de aquisição de dados
próprio do LNDC, Figura 4.16, a necessidade da utilização deste circuito se deu pela
limitação dos aparelhos comerciais para altas voltagens. Esta análise foi feita com
parâmetros de ensaio de 4 V pico a pico e 100 kHz de frequência utilizando a
variação da amplitude e da fase do sinal como parâmetros de comparação.
64
Figura 4.16, circuito utilizado nos testes de comparação de sondas.
Os testes realizados para testar a viabilidade das sondas de correntes parasitas para
detecção de trincas de fadiga nas juntas soldadas foram realizados utilizando o corpo
de prova de INCONEL com a trinca real de fadiga, Figura 4.5, e o Omniscan MX
para demonstrar a validade da inspeção em trincas reais, e para a validação de
detecção de defeitos na presença da junta soldada além do Omniscan foi utilizado um
osciloscópio, Figura 4.17, a fim de retirar os dados de variação do sinal de correntes
parasitas referentes a cada varredura. Os dois testes foram realizados utilizando a
sonda comercial configuradas com voltagem de 4V pico a pico e frequência de 100
kHz.
Figura 4.17, a) Omniscan e b) Osciloscópio utilizados nos ensaios.
65
Foi utilizado o bloco de calibração padrão, Figura 4.3, como referência de material
com defeito e sem solda, o corpo de prova de soldado sem defeito e o corpo de prova
com solda e com entalhe, Figura 4.4, comparando a parte real e imaginaria dos sinais
de cada resultado e após a comparação entre os dados dos sinais fazendo uma
subtração do sinal com defeito pelo com defeito dos sinais dos CP soldados. A fim
de avaliação final também foi feito a avaliação da razão R/Xl para cada um dos
picos. Onde R é o pico da resistência e Xl o pico da reatância do sinal de corrente
parasitas relacionado a solda e aos defeitos.
Após a retirada dos dados de cada ensaio, sendo ele na mesa automática, circuito
próprio ou osciloscópio todos os dados foram tratados pelo MatLab® excetuando-se
o ensaio com trinca de fadiga que não houve necessidade de maiores detalhamentos.
Esse tratamento consistiu principalmente na utilização de uma média móvel para
filtrar o sinal e atenuar o ruido para uma melhor visualização dos dados como se
pode ver no exemplo da Figura 4.18, e no caso da avaliação por C-scan foi feito
também um tratamento para melhorar o contraste.
Figura 4.18, exemplos de sinais a) sem utilização da média móvel e b) com utilização
da média móvel.
66
V. Resultados e Discussão.
V. 1. Detecção de trincas em aço cladeado
Primeiramente foram feitos testes para a viabilização da utilização da técnica de
correntes parasitas na detecção de trincas em aço cladeado utilizando a placa LNDC,
Figura 5.1.
Figura 5.1, ensaio de detecção de defeitos a) peça real b) imagem em C-scan da
variação da amplitude do sinal de correntes parasitas.
67
Figura 5.2, Variação a 100 kHz da a) amplitude, b) fase, c) reatância e d) resistência.
A figura 5.1 mostra que a técnica consegue detectar bem defeitos de diversos
tamanhos e a figura 5.2 que a utilização da variação da reatância, da resistência e da
amplitude do sinal consegue atingir uma boa resolução dos defeitos.
Na figura 5.2 a seguir demonstra o efeito da variação da frequência no ensaio e pode
ser visto que para o primeiro teste a frequência de 100 kHz foi a melhor escolha para
a detecção dos defeitos, isso se deve principalmente ao fato dos defeitos serem de
dimensões pequenas e superficiais o que faz com que maiores frequências sejam
melhores para o ensaio.
68
Figura 5.2, Variação da amplitude a) 50 kHz e b) 100 kHz.
Também foi feito uma avaliação de uma única varredura do ensaio, Figura 5.3, para
verificar a forma do sinal obtido.
Figura 5.3, analise de uma única varredura sendo a) demonstração da linha na
imagem completa do ensaio e b) Variação da amplitude do sinal com os picos
associados a cada defeito.
A partir da figura 5.3 determina-se que há um pico característico para cada defeito.
Mesmo havendo uma pequena dificuldade para a detecção dos defeitos de 0,5 mm,
caraterizado pela letra C, a sonda mostrou-se adequada para a detecção dos defeitos
69
encontrados em campo tendo em vista que os mesmos tem em média 1 mm de
profundidade.
V. 2. Comparação sonda comercial e sonda fabricada em laboratório
As figuras 5.4 e 5.5 mostram os sinais de uma varredura no bloco de calibração
padrão, Figura 4.3, feitas pela sonda comercial e pela sonda fabricada, ambas
alimentadas com um sinal de 4V pp oscilando em 100kHz.
Figura 5.4, Plano de impedância, variação da amplitude e da fase do sinal da sonda
comercial.
70
Figura 5.5, Plano de impedância, variação da amplitude e da fase do sinal da sonda
comercial.
Como pode se ver nos gráficos das figuras acima a sonda LNDC possui um sinal da
amplitude, parâmetro de melhor comparação devido a ser o que resolve melhor os
defeitos como visto anteriormente, mais largo. Já a sonda comercial um sinal mais
estreito. O que poderia ser explicado pela presença de uma blindagem, que concentra
o campo magnético da bobina da sonda comercial como demonstrado na Figura 5.6,
o qual não foi levado em consideração a priori na fabricação da sonda do laboratório.
71
Figura 5.6, a) sonda sem blindagem e seu respectivo sinal da amplitude b) sonda com
blindagem e seu respectivo sinal da amplitude.
1.1 V. 3. Detecção de trincas de fadiga e de defeitos na região da solda
Antes de avaliar a sonda para defeitos na região da solda foi feito um estudo de
detecção de uma trinca de fadiga no corpo de prova de Inconel 625, Figura, E como
se pode ver na imagem do plano de impedância da inspeção na figura 5.7 a sonda
absoluta conseguiu detectar de forma satisfatória a trinca de fadiga sem problemas.
72
Figura 5.7, Plano de impedância demonstrando a varredura no corpo de prova com a
trinca de fadiga.
Os dados obtidos da inspeção da placa, Figura 4.3, no defeito de 1,0 mm e sem a
solda pode ser observado na figura 5.8, onde se vê um pico alto de reatância indutiva
e um pico pequeno de resistência.
Figura5.8, dados da varredura do corpo de prova com defeito e sem solda. a) parte
real da impedância e b) parte imaginaria da impedância.
73
Abaixo podemos ver os dados da varredura do corpo de prova soldado sem defeito,
Figura 5.9, podemos notar uma semelhança com o sinal obtido pelo corpo de prova
com defeito e sem solda.
Figura 5.9, dados da varredura do corpo de prova sem defeito e com solda. a) parte
real da impedância e b) parte imaginaria da impedância.
Já na figura 5.10 podemos ver os resultados para o corpo de prova soldado com
trinca onde se vê em destaque o sinal que se assemelha aos casos anteriores, a grande
diferença se dá no aparecimento de um pico grande de resistência e o aparecimento
de um segundo pico no gráfico da reatância, esse efeito pode ser explicado pela soma
dos efeitos da solda e da trinca de eletroerosão no sinal de correntes parasitas, e que
ao detectarmos esse aparecimento poderiamos verificar se há ou não uma alta
probabilidade da existência de um defeito na região da solda.
74
Figura 5.10, dados da varredura do corpo de prova com defeito e com solda. a) parte
real da impedância e b) parte imaginaria da impedância.
A última análise da subtração do sinal sem defeito e com defeito dos corpos de prova
com solda esta demonstrada na figura 5.11 abaixo.
Figura 5.11, dados da subtração do sinal sem e com defeito dos CPs soldados. a)
parte real da impedância e b) parte imaginária da impedância.
Os dados mostram que com a subtração o segundo pico sofre uma grande alteração
dando a entender que ele está realmente associado à solda deixando de forma
aproximada um pico mais alto associado a um pico baixo da resistência, levando a
crer serem esses dois associados ao defeito.
75
A avaliação da razão R/ dos picos de resistência pelo pico reatância é demonstrada
na tabela abaixo.
Tabela 8, razão R/
Picos Razão
CP sem solda com trinca 0,1245
CP com solda sem trinca 0,1237
CP com solda com trinca 1º pico 0,0854
CP com solda com trinca 2º pico 0,6532
Picos da subtração dos sinais dos CPs com solda (com trinca - sem trinca) 0,1855
Como se podem ver os picos associado da solda associado com o defeito gera um
sinal com uma razão maior, o que não acontece com CP com solda e sem defeito
nem com o CP que tem somente o defeito, demonstrando assim que quando há no
sinal da reatância indutiva a presença de dois picos sendo um deles associado a um
pico alto de resistência, alta razão R/ , há uma grande probabilidade de que haja
presença do defeito e que é possível a partir da análise da razão dos picos gerados na
inspeção por correntes parasitas detectar defeitos da presença da solda.
76
VI- Conclusão
Após a consideração e avaliação de todos os dados contidos nesse trabalho podemos
concluir que sondas de correntes parasitas podem ser utilizadas para a detecção de
defeitos em materiais cladeados e que devido aos entalhes serem defeitos superficiais
e de pequena dimensão a frequência de 100 kHz se mostrou mais eficaz para a
detecção dos mesmos.
A sonda absoluta produzida para este trabalho consegue obter resultados
satisfatórios para a detecção de defeitos, porém deve se levar em conta uma
blindagem para focalizar o sinal e melhorar a resolução dos defeitos.
Também foi visto que a sonda absoluta utilizada neste trabalho consegue detectar
trincas de fadiga passantes da ordem de 15 mm e por último concluímos que a sonda
absoluta de correntes parasitas utilizada no presente trabalho pôde ser usada para
detectar defeitos mesmo na presença da solda com um devido tratamento do sinal.
Mesmo com todos os avanços, ainda existem estudos que devem ser levados em
conta, como o estudo de detecção de trincas de fadiga na presença da solda e da
utilização das sondas de correntes parasitas em ferramentas de alto desempenho
como pigs e o desafio de utilização de várias sondas ao mesmo tempo.
77
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