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Comissão Nacional de Energia Nuclear

CENTRO DE DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA NUCLEAR Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais

Desenvolvimento de técnicas para avaliação de combustíveis nucleares tipo placa pelo método de ensaio por ultra-som

Múcio José Drumond de Brito

Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Tecnologia

das Radiações, Minerais e Materiais 2008

Comissão Nacional de Energia Nuclear

CENTRO DE DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA NUCLEAR Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das

Radiações, Minerais e Materiais

DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA AVALIAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES TIPO PLACA PELO MÉTODO DE ENSAIO POR ULTRA- SOM

Múcio José Drumond de Brito

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, como requisito parcial à obtenção do Grau de Mestre

Área de concentração: Ciência e Tecnologia dos Materiais

Orientador: Prof. Dr. Silvério Ferreira da Silva Júnior

Belo Horizonte

2008

i

“Se quer prever o futuro, estude o passado”

(Confúcio)

“Só a ciência é que evolui. Nada mais evolui... Nem a política, nem artes, nem costumes comportam evolução. Podem comportar diferenças. Evolu- ção não comportam. Só o que é adquirir conhecimentos evolui porque evoluir é aumentar”

“Não há critério de verdade senão não concordar consigo próprio. O universo não concorda consigo próprio, porque passa. A vida não concorda consigo própria porque, morre. O paradoxo é a fórmula típica da Natureza. Por isso toda a verdade tem uma forma(?) paradoxal” (Pensamentos – Fernando Pessoa – poeta português)

ii

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador:

● Silvério Ferreira da Silva Junior pelas sugestões e apoio no desenvolvimento deste trabalho.

Aos professores da pós-graduação

Que contribuíram para enriquecer este trabalho com estudos desde os fundamentos da energia

nuclear, prospecção e mineração do urânio até a tecnologia e gerência dos rejeitos radioativos.

A todos os colegas que fizeram comigo o curso da pós-graduação

Pela convivência, ajuda e motivação nos estudos.

À CNEN/CDTN

Pelo uso das instalações e equipamentos que possibilitaram a realização deste trabalho

Aos servidores e colegas de trabalho no CDTN

● José Marcos Messias pelo apoio, sugestões, execução de radiografias, usinagens de furos e

entalhes por eletroerosão e auxílio na construção do aquário do equipamento XYZ.

●Antônio Eugênio de Aguiar, Edilson Macena Pereira e Geraldo Antônio Scoralick Martins pela

usinagem das lentes acústicas e dos suportes de cabeçotes de ultra som no equipamento XYZ e

no tanque ultrasonic.

●Eduardo Antônio de Carvalho pela obtenção das medidas de raios de curvatura de lentes.

●Daniel Martins Braga pelo fornecimento das miniplacas combustível, sugestões, execução dos

embutimentos para ensaio metalográfico e medições no microscópio.

●João Bosco de Paula pelas informações relativas à fabricação das miniplacas combustível

●Vlamir Caio Estanislau de Almeida pela instalação de conectores em cabos coaxiais

●Donizete Anderson de Alencar pelo apoio e acesso à sua tese de doutorado.

●Sebastião Luiz Machado pela instalação dos registros e nivelamento do tanque ultrasonic.

●Todos os funcionários e chefias da EC2 : José Lúcio Terra e Tanius Rodrigues Mansur

Às secretárias

Maria José Campos P. da Costa e Marcia Valéria Lima S. Fagundes

À minha filha Fernanda Cassimiro Alves de Brito pelos serviços no computador, elaboração

dos desenhos e execução das fotografias.

iii

RESUMO

Uma das principais etapas na fabricação de combustíveis nucleares tipo placa, para a utilização

em reatores de pesquisa e de propulsão naval, consiste no desenvolvimento de métodos e técnicas

de ensaios não destrutivos para a avaliação do combustível nuclear durante a fabricação, assim

como para análises do combustível pós-irradiação. Os ensaios não destrutivos podem contribuir

para a detecção de descontinuidades durante as etapas de fabricação do combustível, como

trincas e falhas na união entre o cerrne e o revestimento, que podem provocar a falha do

combustível durante o seu uso em reatores nucleares. Métodos de ensaio como visual,

radiográfico, correntes parasitas e ultra-som podem ser utilizados para essa finalidade. Neste

trabalho foi abordado o uso do ensaio não destrutivo por ultra-som para a avaliação de

combustíveis nucleares tipo placa. Devido às pequenas espessuras dos combustíveis tipo placa,

assim como aos diferentes materiais presentes nos mesmos, foram utilizados, nos experimentos,

transdutores ultra-sônicos de contato com sapatas de atraso e transdutores de imersão. Os ensaios

foram realizados em um protótipo de combustível tipo placa constituído por um núcleo de UO2

disperso em uma matriz metálica de aço inoxidável, com revestimento em aço inoxidável. Neste

protótipo foram usinados diferentes tipos de refletores artificiais, simulando a presença de

descontinuidades naturais. Para os testes com os transdutores de imersão foi desenvolvido um

dispositivo para a obtenção do perfil do feixe sônico emitido pelos mesmos, de forma a

identificar a região de maior sensibilidade do feixe para o ensaio. Foram ainda fabricadas

algumas lentes acústicas para a focalização do feixe, neste caso, sem sucesso. O uso dos

diferentes tipos de transdutores ultra-sônicos possibilitou o estabelecimento de uma metodologia

para a detecção de descontinuidades com diferentes geometrias e dimensões. O protótipo de

combustível desenvolvido para os experimentos demonstrou ser adequado para estudos de

sensibilidade do sistema de ensaio.

iv

ABSTRACT One of the most important steps in the fabrication processes of plate type nuclear fuels, intended

to be used in research reactors or naval propulsion, is the development of nondestructive testing

(NDT) methods and techniques for their quality assessment during fabrication and post-

irradiation analysis. Those tests can contribute to detect discontinuities such as cracks and fails in

meat-cladding junctions, that can lead to failures when installed and used in reactors. Examples

of NDT methods that may be used for this purpose are visual inspection, radiography, eddy

current and ultrasound. The objective of this study is to present the utilization of ultrasound

methods to evaluate plate type nuclear fuels. Due to the small thicknesses of such kind of fuels,

as well as the presence of different materials, the ultrasonic transducers used to perform the

experiments were immersion type or contact with delay shims. Furthermore, a dummy plate fuel,

constituted by a dispersion of UO2 in stainless steel matrix, with stainless steel cladding, was

specially constructed. In the surface of such plate, several kinds of artificial reflectors, simulating

the presence of natural flaws were machined. For immersion type ultrasonic transducers, a

mechanical scanning system was developed to allow the determination of their sonic beam

profiles and identification of the highest sensitivity beam region. Additionally, some acoustic

lenses, useful to help on beam focalization, were fabricated and used, but the expected

performance was not achieved. The use of different kinds of ultrasonic transducers allowed the

establishing of a methodology to detect discontinuities of different geometry and sizes. The

developed dummy fuel demonstrated to be adequate for the studies of sensitivity of the test

system.

v

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

FIGURA 1 Montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais

nucleares. Elemento combustível cilíndrico 8

FIGURA 2 Esquema genérico de uma central nuclear tipo PWR 9

FIGURA 3 Combustível tipo placa caramelo. Placas e montagem. França 9

FIGURA 4 Miniplacas combustível soldadas nos suportes. Simulação feita no CDTN-

Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte 10

FIGURA 5 Vista explodida de uma placa combustível 10

FIGURA 6 Vaso do reator do LABGENE/CTMSP 11

FIGURA 7 Submarino nuclear. CTMSP – Centro Tecnológico da Marinha em

São Paulo 11

FIGURA 8 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC.

Antes da laminação 14

FIGURA 9 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC.

Pós laminação 14

FIGURA 10 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave

a 225 ºC. Antes da laminação 15

FIGURA 11 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave

a 225 ºC. Pós laminação 15

FIGURA 12 (A) Foto micrografia do pó de UO2 sinterizado (B) Cerne da miniplaca

combustível formado pelo pó de UO2 sinterizado (fase branca) disperso

na matriz pó de aço inoxidável 304 (fase escura) 16

FIGURA 13 Modelo de um corpo elástico 21

FIGURA 14 Oscilação senoidal de uma mola carregada 21

FIGURA 15 Diagrama típico de um sistema ultra-sônico pulso-eco 22

FIGURA 16 Características construtivas de cabeçote normal (imersão) e angular (contato) 23

FIGURA 17 Características construtivas de cabeçote normal para teste manual

por contato 23

vi

FIGURA 18 Anomalias do feixe sonoro 24

FIGURA 19 Montagem típica do método Schilieren 25

FIGURA 20 Esquerda: Estrutura de interferência de campo sonoro. Princípio de

Huygens. Direita: Campo sonoro de um oscilador (cristal) com d/λ=6,7.

Zonas claras: alta pressão sonora. Zonas escuras: baixa pressão sonora 26

FIGURA 21 Princípio de Huygens. Cada fonte pontual emite uma onda esférica (wavelet) 27

FIGURA 22 Resultante é onda plana 27

FIGURA 23 Onda plana ultra-sônica incidindo na superfície de uma esfera de aço e

retornando ao cristal do cabeçote como onda esférica 28

FIGURA 24 Difração em aberturas 29

FIGURA 25 Onda longitudinal 31

FIGURA 26 Onda transversal 31

FIGURA 27 Onda longitudinal e transversal no interior da peça de teste 32

FIGURA 28 Conversão de modo: modo longitudinal na sapata plástica para modo

transversal na peça de teste 32

FIGURA 29 Feixe incidente normal 34

FIGURA 30 Feixe incidente 5º 34

FIGURA 31 1º ângulo crítico 35

FIGURA 32 2º ângulo crítico 36

FIGURA 33 Teste ultra-sônico com cabeçote angular 37

FIGURA 34 Ondas Rayleigh ou ondas superficiais 38

FIGURA 35 Onda superficial ou Rayleigh no aço. Oscilação elíptica e sentido de rotação 38

FIGURA 36 Ondas Lamb simétricas (dilatacional) e assimétricas (dobramento) 41

FIGURA 37 Ondas Lamb ou de placa em alumínio

Em cima: modo simétrico ou dilatacional (dilatational)

Em baixo: modo assimétrico ou dobramento (bending) 41

FIGURA 38 Zonas: morta, próxima, remota e ângulo de divergência do feixe sonoro 45

FIGURA 39 Comprimento N do campo próximo. Região escura: alta pressão sonora.

Região clara: baixa pressão sonora 45

FIGURA 40 Exemplo de comportamento da pressão acústica ao longo do feixe

ultra-sônico 45

vii

FIGURA 41 Efeito de parede. Conversão de modo causado por divergência do

feixe sonoro 46

FIGURA 42 Freqüência do eco f = f0 e largura de banda ∆f = fs – fi 51

FIGURA 43 Envelope do eco obtido na varredura lenta de uma descontinuidade

de referência 53

FIGURA 44 Feixes ultra-sônicos: não focalizado e focalizado (com lente) 54

FIGURA 45 Técnicas de focalização (a) lente bicôncava (b) lente plano côncava 54

FIGURA 46 Perfis dos feixes ultra-sônicos do cabeçote focalizado em linha (elipse)

e cabeçote SE (Dois cristais: um cristal emissor de som e outro cristal

receptor do som refletido na peça) 55

FIGURA 47 Efeito segunda lente trazendo o ponto focal para mais perto da

superfície 57

FIGURA 48 Sistema típico para teste ultra-sônico de imersão 58

FIGURA 49 Ondas sonoras senoidais incidente, refletida e transmitida 59

FIGURA 50 Frentes de ondas sonoras incidente, refletida e transmitida 59

FIGURA 51 Teste de imersão em alumínio 61

FIGURA 52 Fator de transmissão (T) x Impedância acústica da placa de

proteção do cristal ( )pZ 63

FIGURA 53 Efeitos de superfícies inclinadas sobre o feixe ultra-sônico 63

FIGURA 54 Efeito da superfície convexa 64

FIGURA 55 Efeito da superfície côncava 64

FIGURA 56 Efeitos das superfícies na intensidade sonora 65

FIGURA 57 Efeitos das descontinuidades na intensidade sonora 65

FIGURA 58 Esquema do equipamento XYZ para traçar o perfil do feixe sonoro

utilizando uma esfera como alvo refletor. 68

FIGURA 59 Parede de fundo (backwall) 70

FIGURA 60 Furo cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole) 70

FIGURA 61 Furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole) 70

FIGURA 62 (a) entalhe (notch) (b) ranhura (groove) 71

viii

METODOLOGIA

FIGURA 63 Conjunto moldura (picture frame), pastilha e duas placas de revestimento

Espessura inicial da moldura (picture frame) = 6,35 mm (1/4”)

Espessura inicial da pastilha combustível UO2/inox = 6,35 mm (1/2”)

Espessura inicial de cada miniplaca de revestimento = 1,00 mm 72

FIGURA 64 Montagem inicial da miniplaca combustível antes do fechamento por

soldagem TIG nas bordas moldura/revestimento para posterior laminação

Espessura total da miniplaca combustível antes da laminação = 8,35 mm 73

FIGURA 65 Lado esquerdo: laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas

Lado direito: forno tubular 1300 ºC 74

FIGURA 66 Seqüência típica empregada na construção de miniplaca combustível

incluindo a montagem em suportes resultando na simulação do elemento

combustível mostrado na FIG. 4 75

FIGURA 67 Miniplaca combustível apresentando inchação (swelling) visível na

região do núcleo na placa 76

FIGURA 68 Máquina de eletro-erosão por penetração (e não por fio) para usinagem de

padrões artificiais de referência, tais como, furos de fundo plano e entalhes 78

FIGURA 69 Miniplaca combustível PE 01 antes da usinagem dos refletores de

referência: furos de fundo plano e entalhes 79

FIGURA 70 Discoton. Equipamento de corte 79

FIGURA 71 Cabeçotes de ultra som de contato com sapata plástica de atraso (delay

line transducers). Esquerda: DTZ 57 AB920 – 10 MHz;

Direita: DTZ 57 AB985 – 15 MHz 80

FIGURA 72 Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som correspondendo a uma

descontinuidade a 0,50 mm de profundidade na placa combustível 80

FIGURA 73 Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som referentes à espessura

da placa combustível na região de exame 81

FIGURA 74 Equipamento para embutir amostras para exames metalográficos 81

FIGURA 75 Equipamento para polir amostras metalográficas 82

FIGURA 76 Fotografia dos seis cabeçotes de imersão utilizados nos experimentos 83

ix

FIGURA 77 Lâminas (Radius Gage Mitutoyo) para determinação dos raios de curvatura

dos cristais dos 4 cabeçotes de imersão focalizados (4º ao 6º na sequência)

mostrados na FIG. 76 84

FIGURA 78 Equipamento XYZ para traçar o perfil de feixes ultra-sônicos de cabeçotes

De imersão. Ver esquema na (FIG. 58) 86

FIGURA 79 Esquema da movimentação do cabeçote nas coordenadas XYZ sobre os

alvos refletores (esfera, pino ou arame) para traçar o formato do volume

focal ultrasônico em cujo comprimento ∆z deverão ser inseridas placas

combustível para serem inspecionadas 86

FIGURA 80 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas

(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca

combustível sem falha na ligação combustível / revestimento 93


(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca

combustível sem falha na ligação combustível / revestimento 93



combustível com falha na ligação combustível / revestimento inferior 94



combustível com falha na ligação combustível / revestimento inferior 94



combustível com falha na ligação combustível / revestimento superior 95



combustível com falha na ligação combustível / revestimento superior 95

x

RESULTADOS

FIGURA 86 Miniplaca obtida para a realização dos experimentos identificada como

PE 01 96

FIGURA 87 Radiografia mostrando o contorno ovalado do núcleo UO2/aço inox 304

da miniplaca combustível PE 01 pós laminação. Não foi detectada a

falha na ligação (bonding failure) combustível/revestimento dentro do

contorno ovalado 96

FIGURA 88 Tubo de raios X de tensão máxima 300 Kvp 97

FIGURA 89 Embutimento A, não apresentando falha na ligação moldura revestimento

visível a olho nu (a) e embutimento B, apresentando falha na interface

moldura/revestimento visível a olho nu (b) 98

FIGURA 90 Microscópio ORTHOLUX II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY 98

FIGURA 91 Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento A 99

FIGURA 92 Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento B

FIGURA 93 Espessuras dos componentes da miniplaca combustível PE 01 101

FIGURA 94 Esquema da numeração 1 a 30 dos furos de fundo plano e entalhes sobre a

superfície A da miniplaca combustível PE 01. Ver quadro na FIG. 115 102

FIGURA 95 Esquema mostrando o corte transversal, no sentido da espessura, da

localização, diâmetros, profundidades, comprimentos e larguras dos

furos de fundo plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE 01

da FIG. 94. Ver quadro na FIG. 115 102

FIGURA 96 Foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e

entalhes usinados pela superfície B 103

FIGURA 97 Numeração 1 a 30 na superfície A da miniplaca combustível PE 01

Identificando os furos de fundo plano e os entalhes. Ver quadro na

FIG. 115 103

FIGURA 98 Perfil feixe/características 1421 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 12,7 mm 105

FIGURA 99 Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 5 mm 106

FIGURA 100 Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 12,7 mm 107

FIGURA 101 Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – Esfera 12,7 mm 108

xi

FIGURA 102 Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – Esfera 5 mm 109

FIGURA 103 Perfil feixe/características L10ML15 – 10 MHz – Krautkr. Esfera 5 mm 110

FIGURA 104 Perfil feixe/características L10ML15 – 10 MHz – Krautkr. Esfera 12,7 mm 111

FIGURA 105 Perfil feixe/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 5 mm 112

FIGURA 106 Perfil feixe/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 12,7 mm 113

FIGURA 107 Perfil feixe/características DIZ 57ª8919 – 10 MHz – Autom. – Esfera 5 mm 114

FIGURA 108 Perfil feixe/características DIZ 57A8919-10 MHz – Autom. – Esfera 12,7 mm 115

FIGURA 109 Tela típica de ligação moldura/revestimento adequada 118

FIGURA 110 Tela típica de ligação combustível/revetimento adequada 119

FIGURA 111 Tela típica de falha na ligação combustível/revestimento 119

FIGURA 112 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em maior

profundidade. Furo nº 5, diâmetro 2,00 mm, profundidade A = 1,90 mm.

Eco visível do furo a 40% da altura da tela. Teste pela superfície A. 120

FIGURA 113 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em menor

profundidade ou próximo à superfície. Furo nº 2, diâmetro 2,50 mm,

profundidade A = 0,50 mm 120

FIGURA 114 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado próximo à

superfície e com diâmetro maior que 3 mm. Furo nº 4, diâmetro 4 mm,

profundidade A = 0,50 mm. 121

FIGURA 115 Quadro dos resultados obtidos pela incidência dos feixes ultra-sônicos

sobre os furos de fundo plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01.

Ver (FIG. 88, 89 e 90). 123

FIGURA 116 Altura da tela (%) x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 10 MHz 124

FIGURA 117 Altura da tela x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 15 MHz 124

FIGURA 118 Visão geral do tanque ultrasonic durante a realização de um teste

de ultra som por imersão 126

FIGURA 119 Direção de varredura convencionada para testes com cabeçotes

de imersão focalizados em linha (elipse) 127

FIGURA 120 Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz. posicionado

fora do entalhe 22. Eco da superfície a 80% da altura da tela Inspeção

pela superfície A. 128

xii

FIGURA 121 Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado

sobre o entalhe 22. Redução na altura do eco de 80% da altura da tela

para 50% da altura da tela. 128

FIGURA 122 Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo nº 1 – Diâmetro

2 mm, profundidade A = 0,50 mm. Pequeno eco do lado direito do

eco da superfície. Comparar com a (FIG. 120). 129

FIGURA 123 Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo 5 – Diâmetro

2 mm, profundidade A = 1,90 mm. Pequeno eco do lado direito do

eco da superfície. Comparar com a (FIG. 120). 129

FIGURA 124 Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado fora

do entalhe 25: comprimento 4 mm; largura 0,20 mm;

profundidade A = 1,20 mm. Eco da superfície a 80% altura da tela.

Inspeção pela superfície A. 130

FIGURA 125 Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado sobre

o entalhe 25. Redução na altura do eco de 80% para 60% da altura da tela.

da tela. Inspeção pela superfície A. 131

FIGURA 126 Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha – posicionado

fora do núcleo. Eco da superfície a 80% da altura da tela 131


dentro dos limites do núcleo. Esta figura é igual à FIG. 126. Não

detecta falha na ligação (bonding failure) 132


sobre o furo 1 – diâmetro 2 mm, profundidade A = 0,50 mm.

Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de fundo plano 132


sobre o furo 5 – diâmetro 2 mm, profundidade A =1,90 mm.

Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de fundo plano 133

FIGURA 130 Cabeçote focalizado em ponto SIJ 386, 10 MHz, posicionado sobre o

limite superfície/fundo do furo 12. Inspeção pela superfície B. 134

xiii

FIGURA 131 Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919 posicionado sobre o

limite superfície/fundo do furo 8 a partir da superfície B. 1º eco é o da

superfície e o 2º é o eco do fundo do furo. Teste pela superfície B. 136

FIGURA 132 Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, 10 MHz, posicionado

sobre o limite superfície/fundo do furo 12. 1º eco é o eco da superfície

e o 2º eco é o eco do fundo do furo. Inspeção pela superfície B 137

APÊNDICES

APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear 150

APÊNDICE A2 – Ciclo do combustível nuclear detalhado 151

APÊNDICE B – Fabricação e teste de lentes acústicas 152

FIGURA B1 Seis lentes acústicas de plexiglass fabricadas no CDTN 152

FIGURA B2 Feixes sonoros divergindo ao incidirem em superfície convexa e

convergindo ao incidirem em superfície côncava 153

FIGURA B3 Lente bicôncava. Cristal separado da lente induz uma onda transversal

(shear) na lente devido à incidência angular da onda longitudinal 154

FIGURA B4 Lente plano côncava. Cristal colado à lente produz um comprimento N

de campo próximo maior do que o comprimento focal da lente 155

FIGURA B5 Raio r de abertura da lente e raio R de curvatura da lente 156

xiv

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 Propriedades do dióxido de urânio (UO2) 6

TABELA 2 Ângulos incidentes de feixe sonoro longitudinal de 5 MHz,

velocidades de fase e modos de vibração de ondas Lamb

produzidos 42

TABELA 3 Velocidade, densidade, impedância acústica, fator de reflexão,

fator de transmissão e índice de refração para materiais envolvidos

no teste ultra-sônico de materiais 62

TABELA 4 Resultados das medições para cada uma das quatro espessuras de

revestimento 100

TABELA 5 Resultados obtidos para a média e o intervalo de confiança da média

para a espessura dos revestimentos 1A , 2A, 1B e 2B 101

TABELA B1 Propriedades acústicas de vários materiais para lentes 154

xv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AISI American Iron and Steel Institute

ASNT American Society for Nondestructive Testing

ASTM American Society for Testing and Materials

BWR Boiling Water Reactor (Reator a água fervente)

CCHEN Comissão Chilena de Energia Nuclear

CCN Centro de Combustível Nuclear

CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear

CEA Centro Experimental de Aramar

CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear

CTMSP Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo

FCN Fábrica de Combustível Nuclear

FR Fast Neutron Reactor

HEU High Enrichment Uranium

IAEA International Atomic Energy Agency

IEA Instituto de Energia Atômica

INAP Instalação Nuclear a Água Pressurizada

INB Indústrias Nucleares Brasileiras

IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

KWU Kraftwerk Union

LABGENE Laboratório de Geração Núcleo Elétrica da Marinha em São Paulo

LEU Low Enrichment Uranium

LMR Liquid Metal Reactor (Reator a metal líquido)

LWR Light Water Reactor (Reator a água leve)

MTR Material Testing Reactor

NPIC Nuclear Power Institute of China

NUCLEN Nuclebrás Engenharia S.A.

PWR Presurized Water Reactor (Reator a Água Pressurizada)

REICH Reator de pesquisa do Chile

RETEMA Reator de Teste de Materiais

xvi

LISTA DE SÍMBOLOS α Nível de significância ou risco (Estatística) 1 - α Intervalo de confiança (Estatística) µ média (Estatística) σ Desvio padrão (Estatística) σ2 Variância (Estatística) N(µ, σ) Distribuição normal (Estatística) N(0,1) Distribuição normal padronizada (Estatística) ν Grau de liberdade (Estatística) µ Permeabilidade magnética (material) σ Condutividade (material γ Ãngulo de divergência do feixe ultrasônico

δ Profundidade padrão de penetração das correntes parasitas λ Comprimento de onda Σ’ Frente de onda ρ Densidade do material φ Ângulo de incidência do feixe ultrasônico αP coeficiente de potência αTM coeficiente de temperatura do moderado ρ reatividade τ burn-up ou queima de combustível nuclear aeff Metade do comprimento efetivo do lado maior de cristais retangulares Ag-In-Cd Prata-Índio-Cádmio (Material de barras absorvedoras) Am-Be Amerício-Berílio AUC Carbonato de uranilo 141Ba56 Bário 141 bar Unidade de pressão – 1,02 kgf/cm2 ou 0,07 psi Bq Bequerel Btu British Thermal Unit c Velocidade do som dentro do material sob teste ºC Graus centígrados cal Caloria Cl- Íon cloreto CERMET Cerâmica/metal (Ex: Combustível cerâmica UO2 dispersa em metal aço inox) CFC Cúbico de Face Centrada Ci Curie CO2 Dióxido de carbono 137Cs55 Césio 137 dB decibel Deff Diâmetro efetivo do cristal piezoelétrico Deff ≈ 0,97.D0 Dfx6 Diâmetro focal de valor médio na direção X Dfy6 Diâmetro focal de valor médio na direção Y D0 Diâmetro real do cristal piezoelétrico DGS Distance Gain Size

xvii

DL Menor diâmetro focal ou limite de difração ou Airy disk of the first order DUA Diuranato de amônio DUS Diuranato de sódio e 2,72 ERS Equivalent Reflector size eV Elétron volt ∆V(dB) Diferença de ganho entre as alturas de dois ecos Epite Potencial de pite f freqüência F Comprimento focal ºF Graus farenheit FBH Flat Bottom Hole (Furo de fundo plano) FBn Largura focal no eixo X FLn largura focal no eixo Y FTn Profundidade focal ou comprimento focal no eixo Z ft feet (pés) GP Ganho da lente acústica Groove Ranhura GWd/t Gigawatt-dia/tonelada 2H1 Deutério 3H1 Trítio HF Ácido fluorídrico HNO3 Ácido nítrico hr hour (hora) Hz Hertz Jx Densidade das correntes parasitas a uma profundidade x J0 Densidade das correntes parasitas na superfície 92Kr36 Kriptônio 92 K Grau de focalização NFK = k fator de multiplicação de nêutrons Kc Kilociclo Kc Condutividade térmica da fase contínua (aço inoxidável) Kd Condutividade térmica da fase descontínua Kgf Kilograma-força KHz Kilohertz Km Condutividade térmica da mistura UO2/aço inoxidável KVp Kilovoltagem de pico KW Kilowatt KWh Kilowatthora mA Miliampère MHz Megahertz MW Megawatt MWd/t Megawatt-dia/tonelada MWe Megawatt elétrico (Saída de eletricidade de usina geradora de energia) n Índice significando nº de dBs ( 6 dB, 12 dB ou 20 dB) 1n0 nêutron

xviii

N Comprimento do campo próximo no feixe ultra-sônico Na Sódio Nb Nióbio Notch Entalhe P Potência do reator nuclear Pa Pascal (unidade de pressão) 1 N/m2 = 0,102 kgf/m2 pcm partes por cem mil psi Pound square inch (libra/polegada2) 1 psi = 14,5 bar = 14,8 kgf/cm2 Pt Pressão (amplitude ou energia) 239Pu94 Plutônio 239 r raio de abertura da lente acústica R Fator de reflexão Rc Raio de curvatura da lente acústica rpm rotações por minuto SDH Side Drilled Hole (Furo cilíndrico) T Fator de transmissão TCAU Tricarbonato de amônio e uranilo TIG Tungsten Inert Gas TM Temperatura do moderador U0 Urânio metálico 233U92 Urânio 233 235U92 Urânio 235 238U92 Urânio 238 UO2 Dióxido de urânio U3O8 Octóxido de triurânio U3Si2 Siliceto de Urânio UO3 Óxido laranja UF4 Sal verde UF6 Hexafluoreto de urânio UNH Hexahidrato de nitrato de uranila X Fator de enchimento = totalvolumeUOvolume 2 VL Velocidade longitudinal VT Velocidade transversal VP Velocidade de fase Z Impedância acústica (Kg.m2/s) Zc Impedância acústica do cristal Zm Impedância acústica do material Zp Impedância acústica da placa de proteção

xix

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ii

RESUMO iii

ABSTRACT iv

LISTA DE ILUSTRAÇÕES v

LISTA DE TABELAS xiv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS xv

LISTA DE SÍMBOLOS xvi

1 INTRODUÇÃO 1

2 PESQUISA BIBLIOGRÁFICA

2.1 Espécies de combustível 2

2.2 Combustível nuclear cerâmica/metal tipo placa para reatores de potência 3

2.3 Outros combustíveis cerâmica/metal de dispersão: UO2 em berílio e

UO2 em zircônio; Vantagens e desvantagens 4

2.4 Coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação combustível/revestimento 4

2.5 Propriedades do UO2 utilizado na forma não enriquecida para compor

o núcleo da miniplaca combustível fabricada no CDTN 4

2.6 Pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares

cerâmicos em forma de vareta e em forma de placa 6

2.7 Atividades de pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis

nucleares cerâmicos em forma de placa no CDTN/CNEN para reatores

de potência 12

2.8 Falhas no revestimento do combustível do reator de pesquisa IEA – R1

do IPEN 17

2.9 Garantia da qualidade e testes não destrutivos de materiais 17

2.9.1 Método de líquido penetrante 18

2.9.2 Método de partícula magnética 18

xx

2.9.3 Método de radiografia 19

2.9.4 Método de ultra som 19

2.9.5 Método de correntes parasitas ou correntes induzidas ou eddy current 19

2.10 Teste não destrutivo por ultra som 19

2.10.1 Introdução 19

2.10.2 Geração de onda ultra-sônica e piezeletricidade 20

2.10.2.1 Zona morta, zero elétrico, zero acústico e bloco amortecedor 22

2.10.2.2 Características construtivas de cabeçotes de ultra som 23

2.10.3 Obtenção do perfil do feixe sonoro por método ótico.

Princípio de Huygens 24

2.10.3.1 Experimento com alvo esfera: onda plana incidente e onda esférica

refletida pela superfície de uma esfera 27

2.10.4 Difração 29

2.10.5 Princípios do teste ultra-sônico de materiais 30

2.10.5.1 Onda longitudinal e onda transversal 30

2.10.5.2 Refração, conversão de modo e lei de Snell 33

2.10.5.3 1º ângulo crítico 34

2.10.5.4 2º ângulo crítico 35

2.10.5.5 Cabeçotes angulares de contato 36

2.10.5.6 Ondas Rayleigh ou superficiais 37

2.10.5.7 Ondas de placa ou Lamb 39

2.10.5.8 Zona morta, zona próxima e zona remota. Ângulo de divergência 43

2.10.5.9 Detecção de descontinuidades nas três zonas: morta, próxima e remota 46

2.10.5.9.1 Detecção na zona morta 46

2.10.5.9.2 Detecção na zona próxima ou campo próximo 46

2.10.5.9.3 Detecção na zona remota ou campo remoto 47

2.10.5.10 Cálculo do comprimento N do campo próximo 47

2.10.5.11 Ganho ou sensitividade (dB) 49

2.10.5.12 Freqüência do eco (f) 51

2.10.6 Teste manual e teste automatizado. Envelope do eco 52

2.10.7 Cabeçote focalizado e cabeçote SE 53

xxi

2.10.7.1 Formato dos focos dos feixes sonoros de cabeçotes normais, cabeçotes

focalizados em linha e em ponto, cabeçotes SE e cabeçotes angulares 56

2.10.8 Convergência do foco ultra-sônico em metais ou outros materiais

Efeito segunda lente 56

2.10.9 Reflexão e transmissão 58

2.10.10 Efeitos das superfícies e das descontinuidades sobre o feixe sonoro 62

2.10.11 Formação de descontinuidades em forjados, laminados e extrudados 65

2.10.12 Detecção de descontinuidades próximas à superfície 66

2.10.13 Granulação grosseira. Diâmetro médio das microesferas. Altos níveis

de ruído. Detecção ultra-sônica. 67

2.10.14 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico num tanque de imersão 67

2.10.15 Refletores de referência 69

3 METODOLOGIA

3.1 Fabricação de miniplaca combustível com núcleo de pastilha UO2/aço inox 72

3.2 Controle da qualidade nas miniplacas combustível 77

3.2.1 Critérios para adoção dos refletores de referência para o teste não

destrutivo por ultra-som 77

3.2.2 Procedimentos para determinação da localização e da profundidade dos

Refletores usinados sobre a superfície da miniplaca combustível PE 01 78

3.2.2.1 Ensaio inicial para a identificação de regiões com descontinuidades 78

3.2.2.2 Preparação de amostras metalográficas das regiões da miniplaca com

e sem descontinuidades 81

3.3 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçotes de imersão 82

3.3.1 Procedimentos para traçar o perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote

de imersão utilizando o equipamento XYZ 84

3.3.2 Estabelecimento dos critérios para seleção dos diâmetros das esferas

de aço usadas como refletores no traçado do perfil do feixe ultra-sônico

de cabeçote de imersão 87

xxii

3.3.3 Regra empírica para determinação aproximada do diâmetro efetivo Deff do

cristal do cabeçote de ultra-som quando não se conhece o diâmetro real D0 90

3.4 Análise dos fatores de transmissão e reflexão para os feixes ultra-sônicos

dos cabeçotes utilizados no exame por ultra-som da interface combustível/

revestimento com e sem falha de ligação 91

RESULTADOS

4.1 Placa combustível

4.2 Análises das amostras metalográficas retiradas da placa combustível PE-01 97

4.2.1 Amostras metalográficas 97

4.2.2 Medição das espessuras dos revestimentos nos embutimentos A e B 99

4.3 Localização e dimensões dos refletores de referência: furos de fundo

plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE 01 102

4.4 Caracterização dos perfis dos feixes ultra-sônicos dos cabeçotes de imersão

com alvo de esferas de 5,0 mm e 12,7 mm 104

4.5 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste

ultra-sônico por imersão 116

4.6 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste

ultra-sônico por contato 116

4.7 Ensaio inicial por ultra-som da miniplaca PE-01 117

4.8 Inspeção por ultra-som em miniplacas combustível 117

4.8.1 Identificação do revestimento e da superfície do revestimento da

miniplaca PE 01 117

4.8.2 Cabeçotes de contato 117

4.8.2.1 Telas típicas de detecção de ligação e falha de ligação entre moldura e

revestimento e de detecção de furos de fundo plano e entalhes 118

4.8.2.2 Discussão dos resultados – Cabeçotes de contato 121

4.8.2.2.1 Detecção de falhas na ligação 121

4.8.2.2.2 Exame por ultra-som de miniplacas combustível adicionais 122

xxiii

4.8.2.2.3 Detecção dos fundos de furos de fundo plano situados em profundidades

maior A = 1,90 mm e profundidade menor A = 0,40 mm e A = 0,50 mm 122

4.8.2.2.4 Detecção dos entalhes 122

4.8.2.2.5 Quadro e gráficos apresentando os resultados da inspeção utilizando

cabeçotes normais com sapata plástica de atraso 122

4.8.3 Cabeçotes de imersão 125

4.8.3.1 Visão geral do tanque ultrasonic para realização de testes de ultra-som

por imersão 125

4.8.3.2 Exames com cabeçote normal 1421 Karl Deutsch – 4 MHz 126

4.8.3.3 Exames com cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz 126

4.8.3.4 Direção de varredura convencionada para a inspeção por ultra-som

com cabeçotes de imersão focalizados em linha (elipse) 127

4.8.3.5 Exames com cabeçote focalizado em linha (elipse)

1514 Karl Deutsch – 4 MHz 127

4.8.3.6 Detecção com cabeçote focalizado em linha (elipse)

L10ML15 – 10 MHz 130

4.8.3.7 Detecção com cabeçote focalizado em ponto (círculo) SIJ 386 – 10 MHz 133

4.8.3.7.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz 133

4.8.3.7.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz 134

4.8.3.8 Detecção com cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz – Quase normal –

Raio Rc de curvatura do cristal muito grande, cristal quase plano.

Focalizado em ponto (círculo) 135

4.8.3.8.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz 135

4.8.3.8.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz 136

5 Discussão geral dos resultados 138

5.3.1 Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso (delay line transducer) 138

5.3.2 Cabeçotes de imersão 139

5.4 Provável causa de não detecção de falha na ligação (bonding failure)

pelos cabeçotes de imersão 140

xxiv

5.5 Onze quadros de perfis de feixes ultra-sônicos dos cabeçotes da FIG. 76

apresentados nas FIG. 98 a 108 140

5.6 Publicação relatando dificuldade para determinar os refletores de

referência e determinar o ganho de referência a ser estabelecido no

equipamento de ultra-som 142

5.7 Caso real de falha no revestimento 143

5.8 Falhas na ligação (bonding failure) observadas no microscópio e não

detectadas por ultra-som 144

5.9 Fabricação sem êxito de lentes acústicas 144

6 Conclusões e sugestões 146

6.1 Características e tipos de cabeçotes de ultra-som para a inspeção

de combustíveis nucleares tipo placa 146

6.1.1 Verificação da possibilidade de aquisição de cabeçotes de imersão

com outras freqüências e outras características 147

6.1.2 Verificação de possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de

contato com sapatas de atraso e cabeçotes SE 147

6.2 Confecção de novas miniplacas combustíveis alterando os parâmetros

de fabricação 147

6.3 Testes de irradiação para verificar o desempenho de combustível nuclear 147

6.4 Verificação de possibilidade de acesso a normas oficiais 148

6.5 Objetivos e benefícios pretendidos por este trabalho 148

7 Propostas para trabalhos futuros 149

7.1 Inspeção ultra-sônica automatizada por imersão 149

7.2 Projeto e fabricação de lentes acústicas 149

APÊNDICES

APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear 150

APÊNDICE A2 - Ciclo do combustível nuclear mais detalhado 151

APÊNDICE B – Fabricação e teste de lentes acústicas 152

REFERÊNCIAS 159

1

1 INTRODUÇÃO

A fabricação e o controle da qualidade dos combustíveis nucleares tipo placa estão inseridos

dentro de um contexto direcionado à produção eficiente de energia nuclear. Via de conseqüência,

o conhecimento geral do contexto é importante na medida em que a ampla compreensão alicerça

o sentimento sobre a matéria. Considerou-se, portanto, como adequada, a abordagem da

contextualização valendo-se da pesquisa à bibliografia concernente, complementada pela

pesquisa às disciplinas lecionadas durante o curso do Programa de Pós-Graduação em Ciências e

Tecnologia das Radiações Minerais e Materiais de 2006 no Centro de Desenvolvimento da

Tecnologia Nuclear (CDTN) em Belo Horizonte, sob a coordenação do Prof. Dr. Francisco Javier

Rios. Assim, foram apresentadas informações relativas à energia nuclear desde seus

fundamentos, estrutura de cristal e parâmetro de rede do UO2, geração núcleo elétrica até a

gerência e tecnologia de rejeitos radioativos. Importante também observar que o urânio, para ser

usado como combustível no reator deve sofrer processos de concentração/purificação para ficar

livre de elementos que possuem consideráveis seções transversais para captura de nêutrons. Tais

processos, também relacionados com a qualidade final do combustível, levam a incluir no

contexto, descrições sobre minerais primários e secundários, prospecção, mineração,

hidrometalurgia do urânio, lixiviação, extração por solvente do nitrato de uranila, troca iônica,

precipitação química, volatilização do UF6 e obtenção de pastilhas de liga microesferas UO2/aço

inoxidável que constituem o cerne do combustível nuclear tipo placa. Este tipo de combustível

constitui uma das propostas apresentadas pelo Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo

(CTMSP) com a finalidade de se obter geração elétrica adaptável à propulsão naval. A pesquisa

convergiu para a fabricação sem êxito de lentes acústicas para a focalização do feixe sonoro. O

sucesso do projeto e montagem do equipamento XYZ, para traçar o perfil do feixe ultrasônico de

cabeçotes de imersão focalizados ou não, tornou mais segura e precisa a detecção e avaliação de

descontinuidades na placa combustível. Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso foram

também utilizados. A complementação destas duas técnicas, imersão e contato, conduziu a

resultados considerados satisfatórios obtidos em ambiente com certas restrições. A literatura

sobre o assunto é escassa e, portanto, no Brasil, este trabalho pode ser considerado inédito,

abrindo as portas para prosseguir o seu desenvolvimento e com novas abordagens, incluindo a

proposta atual do CTMSP que é a placa combustível cujo cerne é formado pela liga U-4Zr-2Nb.

2

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Espécies de combustível

Na prática, essencialmente duas espécies de combustível têm sido usadas: metálico e cerâmico.

Uma terceira espécie é o combustível fluido. Exemplo de combustível metálico é o formado pelo

material combustível urânio metálico (Uº) , densidade de 18,7 g/cm3 que é maior que a densidade

da cerâmica UO2 , 10,96 g/cm3, considerada baixa densidade. Além disto, a cerâmica UO2 tem a

desvantagem de baixa condutividade térmica no valor de 0,2 cal/(seg)(cm2)(ºC/cm) em 20 ºC ,

sendo1 cal = 3,968x10-3 Btu (British thermal unit) ou 1Btu = 251,996 cal. Tipos especiais de

combustíveis cerâmicos de dispersão estão sendo desenvolvidos: partículas pequenas de urânio

(que é um actinídeo) ou óxido de urânio dispersas em metais tais como nióbio (ponto de fusão

2477 ºC), cromo (ponto de fusão 1907 ºC), níquel (ponto de fusão 1455 ºC), vanádio (ponto de

fusão 1910 ºC), molibdênio (ponto de fusão 2623 ºC). Exemplos de combustíveis cerâmicos são

os cermet e os cercer. O combustível cermet (combustível cerâmico disperso numa matriz

metálica) faz parte dos elementos combustíveis de dispersão, tais como cerâmica UO2 (dióxido

de urânio – ponto de fusão 2700 ºC) dispersa em matriz de aço inoxidável (ponto de fusão 1540

ºC) ou matriz de zircônio ( ponto fusão 1855 ºC ) usado em reatores de potência. Octóxido de

urânio (U3O8) ou siliceto de urânio (U3Si2 – ponto fusão 1665 ºC) dispersos em matriz de

alumínio (ponto de fusão 600 ºC) são usados em reatores de pesquisa e teste de materiais. O

combustível cilíndrico cercer (combustível cerâmico disperso numa matriz cerâmica, por

exemplo, UO2 disperso nas cerâmicas grafite ou alumina – Al2O3) que, futuramente, pode ter

duas possíveis aplicações (1) ser utilizado em reatores de potência refrigerados a água, ou seja, o

combustível cercer conteria os produtos de fissão e limitaria o risco de hidrogênio que é a reação

do combustível com água a altas temperaturas no caso de acidentes.

Cabe citar que a proposta atual sendo desenvolvida é a liga metálica U-4Zr-2Nb para dispersão

em ZrY (zircaloy – liga de zircônio; zircônio é metal de transição – ponto de fusão 1855 ºC)

constituindo o combustível metmet (metal metal) (AGUIAR, B., 2008).

3

2.2 Combustível nuclear cerâmica/metal tipo placa para reatores de potência

Neste texto, o combustível em questão é o combustível nuclear cermet (cerâmica/metal) tipo

placa, cujo núcleo (meat) é formado pela dispersão ou mistura do pó da cerâmica UO2 (dióxido

de urânio – ponto de fusão 2700ºC) ou microesferas da cerâmica UO2 (em substituição ao pó de

UO2) em pó metal de aço inoxidável 304 (ponto de fusão 1540ºC) para ser usado em reatores de

potência. Apenas como observação, o urânio (ponto de ebulição 4131 ºC), pertencente à família

dos actinídeos, tem ponto de fusão 1131,9 ºC que é menos da metade que o ponto de fusão do

UO2. O núcleo ou porção combustível, constituído da mistura ou dispersão de microesferas de

UO2 em aço inoxidável, é introduzido numa moldura (picture frame) e, este conjunto, revestido

de ambos os lados com chapas de aço inoxidável 304 resultando em uma placa combustível.Um

determinado número destas placas combustível é montada em estruturas suporte formando o

chamado elemento combustível nuclear tipo placa que é usado em reatores de pesquisa e teste

de materiais e em algumas formas de reatores de potência acondicionados e compactos do

exército, projetados para produção de potência em bases militares remotas e também usados em

propulsão naval: submarinos, porta aviões, quebra gelos e navios cargueiros (COLLECTION

DU COMMISSARIAT À L’ÉNERGIE ATOMIQUE, 1999, p. 22 e 67; FERRAZ et al, 2003, p.

13, 14, 15 e16; GLASSTONE S., SESONSKE A., 1967, p. 471, 472 e 476).

No Brasil, este combustível tipo placa constitui uma das propostas apresentadas pelo Centro

Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP) com a finalidade de se obter geração elétrica

adaptável à propulsão naval. Especificamente, se destina ao abastecimento do protótipo em terra

do reator de potência nuclear do submarino que está sendo desenvolvido pelo Centro Tecnológico

da Marinha em São Paulo (CTMSP) no Centro Experimental de Aramar (CEA) em Iperó a 120

km de São Paulo, através da execução de dois programas (1) Combustível nuclear (2) Propulsão

nuclear.

O programa combustível nuclear envolve as seguintes etapas do ciclo do combustível como

mostrado nos APÊNDICES A1 e A2: conversão, enriquecimento e fabricação de combustível

cerâmico que contém UO2. O programa propulsão nuclear, demonstrado por um protótipo em

terra sendo desenvolvido pelo CTMSP (LABGENE), tem por objetivo a obtenção

4

de capacitação tecnológica no projeto, fabricação de componentes, construção e operação de

instalações de geração elétrica adaptáveis à propulsão naval, no caso o submarino nuclear

(CENTRO TECNOLÓGICO DA MARINHA EM SÃO PAULO, 2005).

2.3 Outros combustíveis cerâmica/metal de dispersão: UO2 em berílio e UO2 em zircônio;

vantagens e desvantagens

Dispersões de UO2 (dióxido de urânio) em metais tais como berílio (excelente moderador e

refletor facilitando a transferência de calor do combustível para o refrigerante, mas é

relativamente quebradiço), zircônio (ponto de fusão 1840 ºC) onde, embora a economia de

nêutrons seja melhorada, existe a desvantagem da indesejável interação do Zry (zircaloy) com o

UO2 em temperaturas de reator, ou seja, reações químicas entre UO2 e as superfícies internas do

revestimento de zircaloy. Há penetração de produtos de reação no zircaloy a profundidades de

0,003” a 0,004” (0,07 mm a 0,10 mm) em combustíveis tipo vareta ( FERRAZ et al, 2004, p.

22/24; GLASSTONE et al, 1967, p.334; INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY,

1961, p. 255 e 366)

2.4 Coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação combustível/revestimento

Em qualquer elemento combustível, deve existir coesão completa, metalúrgica ou térmica, do

revestimento com o combustível, para que não haja uma redução da condutividade piorando,

portanto, as características de transferência de calor do combustível para o refrigerante, ou seja,

diminuindo a retirada de calor.

2.5 Propriedades do UO2, utilizado na forma não enriquecida, para compor o núcleo da

miniplaca combustível fabricada no CDTN

Na fabricação do núcleo do combustível tipo placa, em escala experimental e de laboratório no

CDTN, utilizou-se UO2 não enriquecido, cuja produção requer geralmente, como material de

partida, a solução aquosa concentrada de nitrato de uranila a partir do processo de extração por

5

solvente. O dióxido de urânio – UO2 - é uma cerâmica que é utilizada como material

combustível, especialmente em reatores de potência moderados a água (PWR e BWR – Boiling

Water Reactor). Possui a vantagem de estabilidade a altas temperaturas e resistência à radiação. É

quimicamente inerte à água, o que o faz atrativo para uso em reatores refrigerados a água

(incluindo BWR – reator a água fervente), onde as conseqüências de uma falha no revestimento

podem ser catastróficas se o material combustível reage com a água em ambiente de alta

temperatura. Outra propriedade benéfica do UO2 é sua habilidade de reter uma grande proporção

de gases de fissão - bromo, criptônio, iodo e xenônio. A maior desvantagem do dióxido de

urânio como material combustível é sua baixa condutividade térmica, embora isto seja

parcialmente compensado pelo fato que temperaturas muito altas (1100 ºC a 1700 ºC) são

permitidas no centro do combustível. A condutividade térmica do UO2 decresce enquanto a

temperatura é aumentada até 1100ºC (2010ºF). Isto, no projeto do reator, estabelece uma

limitação na potência a ser obtida com um dado tamanho da vareta ou placa combustível.

Algumas das importantes propriedades do dióxido de urânio estão listadas na TAB. 1. Pode-se

ver que UO2 possui baixa densidade teórica de 10,96 g/cm3. Há duas vantagens em se produzir

material de alta densidade (1) alta densidade significa um grande número de átomos de urânio por

unidade de volume, possibilitando maior queima (burn up) de 235U92 no combustível (2) alta

densidade significa grande condutividade térmica. Porém há uma desvantagem: a retenção de

gases de produtos de fissão é maior em combustível com alta densidade. A estrutura CFC do

cristal é a mesma estrutura da fluorita (CaF2). No centro ficam os íons +4U e nos vértices do

cubo íons −2O . Os diversos cubos se interpenetram. Outros compostos que possuem esta

estrutura são PuO2 e ThO2. UO2 possui um baixo coeficiente de expansão térmica : 9,7 x 10-6 K-1

na temperatura ambiente. Na temperatura de 1200 ºC a expansão do UO2 é apenas ∆l = 3,4 x 10 -

3l0 ou ∆l = 0,003.l0 em 1200 0C (CALLISTER, 2000, p.388; GLASSTONE S., SESONSKE A.,

1967, p.471, 472 e 477; INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Fuel element

fabrication with special emphasis on cladding materials - Volume 2, 1961, p. 328).

6

TABELA1. Propriedades do dióxido de urânio (GLASSTONE S., SESONSKE A, 1967, p.472) Ponto de fusão ...............................................................................2800ºC (5100ºF) Estrutura do cristal ........................................................................CFC (cúbica de face centrada) Parâmetro de rede, A .....................................................................5,468 Densidade teórica, g/cm3 ...............................................................10,96 Condutividade térmica, cal/(seg)(cm2)(ºC/cm).............................. 0,02 (em 20ºC) Coeficiente de expansão térmica, por ºC ....................................~ 1x10-5 (0 a 1000 ºC) Resistência à fratura (fracture strength), psi ................................~ 10,000 Módulo de elasticidade, 106 psi (1 psi = 14,5 bar)..........................25

2.6 Pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares cerâmicos em

forma de vareta e em forma de placa

Em 1968 o governo brasileiro, com a finalidade de adquirir experiência e capacitação

tecnológica, decidiu executar a prevista complementação termelétrica na área do Rio de Janeiro

através da construção da primeira usina nuclear em Angra dos Reis, RJ. Em 1969 houve uma

concorrência internacional vencida pela empresa norte-americana Westinghouse, que em 1972

iniciou os trabalhos de construção da usina Angra I, tipo PWR (Pressurized Water Reactor), com

uma potência de 657 MW. O reator tornou-se crítico em março de 1982 e entrou em operação

comercial em janeiro de 1985. Em junho de 1975, o Brasil e a Alemanha assinaram o Acordo de

Cooperação para o Uso Pacífico da Energia Nuclear e, concretizaram, em julho de 1975, a

aquisição das usinas nucleares Angra 2 e 3 à empresa alemã Kraftwerk Union A.G. – KWU,

subsidiária da SIEMENS. Assim, a usina de Angra 2, PWR e com uma potência de 1309 MW,

teve suas obras iniciadas em 1976. Furnas Centrais Elétricas S.A.(FURNAS) foi a contratante e a

Nuclebrás Engenharia S.A. (NUCLEN) ficou responsável pelo detalhamento do projeto básico,

sob a supervisão da empresa alemã Kraftwerk Union (KWU) (ELETROBRÁS

TERMONUCLEAR – ELETRONUCLEAR, 2005).

Este evento impulsionou, no Brasil, as atividades de pesquisa e desenvolvimento para obtenção

da tecnologia de fabricação de combustíveis nucleares, haja vista que este tipo de tecnologia não

se encontra disponível no mercado, apresentando uma importância estratégica para o país. Foram,

então, iniciadas na década de 1980 as atividades de pesquisa e desenvolvimento de combustíveis

nucleares no CDTN/CNEN – Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/Comissão

Nacional de Energia Nuclear – empreendendo-se atividades no sentido de desenvolver

7

combustível nuclear cerâmico de ThO2 e UO2 para utilização em reatores de potência a água leve

pressurizada PWR (Pressurized Water Reactor).

Em 2001, a Fábrica de Combustível Nuclear (FCN), situada em Rezende, RJ, obteve sua

produção inicial de 20 toneladas de pó de UO2 enriquecido a 3,4% para a 10a recarga da Usina

Nuclear de Angra 1(650 Mw) e para o comércio externo. A recarga de Angra 1 necessita de 40

elementos combustíveis. O núcleo possui 121 elementos combustíveis. Em 2002, a FCN forneceu

a 1a recarga para a Usina Nuclear de Angra 2 (1300 Mw) e em 2003 abasteceu a 2a recarga de

Angra 2. Cada recarga de Angra 2 é constituída de 64 elementos combustíveis e o núcleo possui

193 elementos combustíveis (INDÚSTRIAS NUCLEARES DO BRASIL, 2005)

A monazita é o único minério de mineral tório disponível em quantidades para a utilização

comercial. Os fornecedores comerciais obtém a monazita a partir das areias monazíticas. As

maiores reservas de areias monazíticas se encontram no estado de Travancore, Índia, e existem

também consideráveis quantidades de monazitas na área do Rio Blind em Ontário, Canadá, e no

Brasil. Menos quantidades ocorrem na Austrália, Madagascar, África do Sul e Estados Unidos

(GLASSTONE SAMUEL, SESONSKE ALEXANDER,1967, p. 464)

Na FIG. 1 é apresentada a montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais

nucleares, elemento combustível cilíndrico constituído de varetas de zircaloy 4 onde estão

inseridas pastilhas de UO2. Na FIG. 2 está ilustrado o esquema genérico de uma central nuclear

tipo PWR.

8

FIGURA 1. Montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais nucleares. Elemento combustível cilíndrico.

9

FIGURA 2. Esquema genérico de uma central nuclear tipo PWR.

Na FIG. 3 é mostrada a montagem de placas combustível formadas por vários núcleos em forma

retangular (caramelo), fabricado na França. Os combustíveis em forma de placa são usados em

reatores de pesquisa e teste de materiais e também em reatores de potência para propulsão naval.

Vários materiais são usados no núcleo: ligas UAl e UZr ou combustível cermet, cujo núcleo é

constituído por dispersão da cerâmica UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304 ou matriz (pó)

de zircônio no caso de reatores de potência, ou siliceto de urânio U3Si2 ou octóxido de urânio

U3O8 disperso em matriz (pó) de alumínio no caso de reatores de pesquisa e teste de materiais

(COLLECTION DU COMMISSARIAT À L’ÉNERGIE ATOMIQUE, 1999, p. 22 e 25).

.

FIGURA 3. Combustível tipo placa caramelo. Placas e montagem. França.

10

Na FIG. 4 é mostrada a simulação da montagem de placas combustíveis que foram soldadas nos

suportes de maneira semelhante à montagem francesa da (FIG. 3)

FIGURA 4. Miniplacas de combustível soldadas nos suportes. Simulação feita no CDTN –

Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte.

A vista explodida de uma placa combustível é mostrada na FIG. 5. Várias destas placas

combustível são montadas em suportes como mostrado nas FIG. 3 e 4, formando elementos

combustíveis que serão superpostos em camadas no interior do vaso do reator protótipo do

LABGENE – Laboratório de Geração Núcleo Elétrica do CTMSP – Centro Tecnológico da

Marinha em São Paulo, mostrado na (FIG. 6). Na parte superior do vaso ficarão as barras de

controle, de maneira semelhante ao esquema da FIG. 4.

FIGURA 5. Vista explodida de uma placa combustível.

11

FIGURA 6. Vaso do reator do LABGENE/CTMSP.

O U.S.S. Nautilus foi o primeiro submarino movido a energia nuclear nos Estados Unidos. Seus

testes de desempenho no mar ocorreram em janeiro de 1955 (GLASSTONE SAMUEL,

SESONSKE ALEXANDER, 1967, p. 25 e 26).

Na FIG. 7, foto do submarino nuclear brasileiro (projeto e fabricação de responsabilidade do

CTMSP) cedida pelo CTMSP à Revista Isto é de 29/8/2007 e se encontra na página 48 da revista.

FIGURA 7. Submarino nuclear. CTMSP - Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo.

12

2.7 Atividades de pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares

cerâmicos em forma de placa no CDTN/CNEN para reatores de potência

Na década de 1990 foi iniciado o programa de desenvolvimento de combustíveis nucleares tipo

placa contendo dispersão da cerâmica UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304 para utilização

em propulsão naval, em cooperação com os centros de pesquisa da Marinha do Brasil.

Em 2003 deu-se início à 3a fase de atividades no sentido de aprimorar o desenvolvimento do

combustível nuclear tipo placa utilizando não mais o pó de UO2 disperso ou misturado em pó de

aço inoxidável 304, que formando uma liga, que, após laminada, tinha pior distribuição

homogênea no cerne da placa combustível. Em substituição ao pó de UO2 foram adotadas

microesferas de UO2 com superfície específica Sg = 1 a 8 m2/g. Se uma microesfera é porosa e

contém vazios dentro dela, é dito que ela possui Sg > 0. Se uma microesfera é não porosa ela

possui Sg = 0. Do mesmo modo, se um aglomerado de microesferas é poroso, ou seja, contém

vazios entre as microesferas, é dito que ele possui Sg > 0. Caso não seja poroso ou possua

ausência destes vazios é dito ter Sg = 0. Microesferas de UO2, com tamanho da ordem de mícron

até 1 mm (No CDTN obteve-se microesferas de 170 µm, valor bem próximo de especificado de

150 µm ) são obtidas por um dos tipos de processos sol-gel. O tipo utilizado no CDTN consiste

primeiramente em misturar nitrato de uranila - ( ) OHOHNOUO 22232 6.. + -em água - OH 2 - , ou

seja, efetuar uma solução verdadeira que é a dissociação de íons Th ou U em água. A reação

química é ( ) =+ OHOHNOUO 22232 6.. OHNOUO 2322 62 ++ −+ . Ao segundo termo desta reação

introduz-se um agente “gelificante” hidróxido de amônio −+ +→ OHNHOHNH 44 para

neutralizar, formando então ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − . Neutralização parcial com solução

amoniacal que pode ser a quente ou a frio. O sol é uma sopa de íons +2UO mais partículas com o

composto ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − . Misturar o sol com PVA (álcool polivinílico), fuligem e

etanol. Desta mistura é que são formadas as microgotas. Dentro das microgotas existe OH 2 .

Passar microgotas na atmosfera de 3NH (amônia), assim, OHHNOHNH 423 =+ e precipita

( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − + PVA + fuligem. Este precipitado cai na solução amoniacal

OHNH 4 e continua reagindo até precipitar o composto ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − + PVA +

13

fuligem. A consistência deste precipitado é gelatinosa (gel). Estas são as microeferas gelatinosas

de 2UO . Cabe observar aqui que a palavra coloidal se refere a cola. Sol é uma dispersão coloidal

e gel é também uma dispersão coloidal. Em resumo, um dos tipos de processo sol-gel consite na

introdução de um agente “gelificante” (“gelifying”) no nitrato de uranila, sob certas condições. A

geleificação externa consiste na conversão de um sol em gel de geometria estável, devido a

distância média entre as partículas coloidais ser reduzida de tal modo que a tensão de superfície

fica maior que a repulsão eletrostática das partículas carregadas positivamente. Na geleificação

interna a carga eletrostática das partículas é neutralizada (FERRAZ et al, 2003, p. 13, 14, 15 e

16; FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24; GLASSTONE SAMUEL., SESONSKE ALEXANDER,

1967, P. 471, 472 e 476; INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES DE

SÃO PAULO – CENTRO DE COMBUSTÍVEL NUCLEAR. Disponível em:

<http://ipen.br/ccn/index.html>. Acesso em 01/11/2007; INTERNATIONAL ATOMIC

ENERGY AGENCY, 1961, p. 254, 255 e 321)

Ferraz et al (2003) relatam que após diversas bateladas de microsferas de UO2 serem calcinadas

em 600 0C e 1100 0C, foram adotados dois tipos de envelhecimento para estas bateladas: (1)

envelhecimento ao ar a 90º e (2) envelhecimento em autoclave a 225ºC. Após tal etapa, estas

microesferas foram misturadas ou dispersas em matriz (pó) de aço inoxidável 304 com um

carregamento de 37% em volume (45% em peso) de UO2. Na FIG. 8 (a) a (d) são apresentadas

as fotomicrografias, antes da laminação, do conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas

ao ar a 90 ºC. Em (a) e (b) pode-se ver que são microesferas irregulares, umas são esféricas e

outras não, e apresentam reentrâncias e trincas; Em (c) (aumento 1000X) e (d) (aumento 2000X)

vê-se que as microesferas têm baixa porosidade e, por isto, pode-se inferir alta densidade do

núcleo combustível.

Na FIG. 9 (a) a(d) são apresentadas as fotomicrografias, pós-laminação a quente (1200 ºC), do

conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas ao ar a 90 ºC. Em (a) e (b), (c) e (d) da FIG.

8 (antes da laminação) pode-se ver que as microesferas são quase do mesmo formato que A e B,

C e D da FIG. 9 (pós-laminação). Isto significa que a laminação quase não afetou o formato das

microesferas, que continuaram com baixa porosidade e densas como mostrado em C (aumento

1000X) e D (aumento 2000X) das duas figuras. A FIG. 8 é praticamente igual à (FIG. 9).

14

FIGURA 8. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC. Antes da

laminação.

FIGURA 9. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC. Pós-

laminação.

Na FIG. 10 (a) a (d) são apresentadas as foto micrografias, antes da laminação, do conjunto

microesferas de UO2/aço inox envelhecidas em autoclave a 225 ºC. Em (a) e (b) da FIG. 10

(antes da laminação) vê-se que são microesferas regulares e quase todas de forma esférica. Em

(c) (aumento de 1000X) e (d) (aumento de 2000X) revela-se que estas microesferas possuem

porosidade heterogênea e, por isto, pode-se inferir a indesejável baixa densidade do núcleo

combustível. Na FIG. 11 (a) a (d) são apresentadas as fotomicrografias, pós-laminação a quente

1200 ºC, do conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas em autoclave a 225 ºC. Em (a)

e (b) da FIG. 11 (pós laminação) pode-se ver que as microesferas densas não são deformadas

ficando com o mesmo formato; em (c) e (d) da FIG. 11 (pós laminação) as microesferas porosas

15

apresentam leve estiramento deformando-se. A FIG. 10 (antes laminação) não é igual à FIG. 11

(pós-laminação).

FIGURA 10. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave a 225 ºC

antes da laminação.

FIGURA 11. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave a 225 ºC

pós laminação.

Nas foto micrografias das FIG. 8 a 11 são mostrados cernes ou núcleos de combustível onde foi

utilizada a dispersão de microesferas de UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304. Apenas para

efeito comparativo, trabalhos anteriores utilizaram pó de UO2 e não microesferas de UO2 na

composição do núcleo combustível. Na FIG. 12 é mostrada a liga pó de UO2/aço inox,

carregamento de 37% em volume (45% em peso) de pó de UO2, sinterizada, inserida na moldura

posteriormente revestida com duas placas e este conjunto laminado a quente 1200 ºC e também

laminado a frio para obter precisão nas medidas dimensionais. Observa-se que os núcleos das

16

mini-placas combustível (FIG 8 a 11) formados com microesferas de UO2 (mesmo com bateladas

de microesferas ovaladas pela laminação) possuem qualidade superior ao núcleo formado por pó

de UO2/pó de aço inox (FIG. 12).

FIGURA 12. (A) Foto micrografia do pó UO2 sinterizado (B) Cerne miniplaca combustível for-

mado pelo pó UO2 sinterizado (fase branca) disperso na matriz pó aço inox 304 (fase escura).

Em trabalhos posteriores (FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24), autoclavagem a 225 ºC, obteve

microesferas de UO2 de alta esfericidade e diâmetro médio de cerca de 170 μm, já bem próximo

do diâmetro especificado de 150 μm com densidade entre 90 e 95% da densidade teórica.

Deve-se considerar que UO2 não deve entrar em contato com o ar porque ele combina pronta-

mente com o oxigênio para formar um óxido mais alto, cuja composição depende da temperatura.

A oxidação reduz a condutividade térmica resultando na formação de gradientes de temperatura

com aquecimento localizado indevido. Como já mencionado, UO2 não reage com água, mesmo

quando se tem impurezas como carbono e sílica. Quanto ao revestimento de chapas de aço

inoxidável, há de se observar que os aços inoxidáveis austeníticos, como o aço AISI 304,

apresentam uma resistência à corrosão devido a formação de uma película protetora, película de

passivação, constituída principalmente por óxido de cromo. O íon cloreto (Cl-), se estiver contido

na água onde está inserido o aço inoxidável, é uma substância agressiva à integridade da película

protetora, destruindo-a em pontos localizados e provocando a formação de corrosão por pite que

pode resultar em perfurações e pontos de concentração de tensões, que reduzem a resistência

mecânica da liga metálica, podendo haver rompimento do revestimento. A formação de pites em

ligas ocorre em um potencial específico denominado potencial de pite, Epite, sendo este o valor de

17

potencial no qual a densidade de corrente tem um pronunciado aumento na faixa de passivação.

(FARIAS, C. T. T. et al, 2002; GLASSTONE S., SESONSKE A., 1967, p. 472 e 473).

2.8 Falhas no revestimento do combustível do reator de pesquisa IEA-R1 do IPEN

Como um exemplo, vale citar o caso do reator de pesquisa IEA-R1 do IPEN em São Paulo, SP,

que embora o revestimento não seja de aço inoxidável como os reatores de potência, apresentou

falha no revestimento de alumínio, sendo que no elemento combustível IEA-53 formaram-se

vários pites grandes de corrosão localizados ao longo do revestimento e na parte em contato com

a água, ocasionando vazamento irregular do produto de fissão 137Cs. Este vazamento foi

detectado, em 30 de julho de 2001, durante inspeção de rotina à potência de 2 MW, constatando-

se a liberação de gases de produtos na área do saguão da piscina do reator. Utilizou-se, então, o

teste de sipping, que é uma técnica não destrutiva para detecção do vazamento de produtos de

fissão gama emissores, com a finalidade de determinar a taxa média de vazamento dos produtos

de fissão para a água (TERREMOTO, L. A. A. et al, 2001)

2.9 Garantia da qualidade e testes não destrutivos de materiais

Ao mesmo tempo em que as máquinas e instrumentos se tornam cada vez mais sofisticados, a

qualidade de cada um dos seus componentes exerce um papel preponderante. Às vezes um

componente de pequeno valor pode falhar e levar ao colapso todo o maquinário, causando

prejuízos humanos e materiais. As razões para a falha de um componente estão incluídas em

aspectos de sua história que vão desde a concepção e desenvolvimento do projeto, com inclusão

de fatores de segurança compatíveis para suportar tensões normais de operação, até sua

fabricação, utilização e expectativa de vida que deve ser estabelecida através de testes e cálculos,

pois um componente, durante a sua vida em operação, está sujeito a desgastes por corrosão,

erosão e fadiga.

Portanto, a garantia da qualidade de um componente envolve as medidas necessárias para

estabelecer compromisso entre as demandas exigidas do componente e sua estrutura.

18

Procedimentos de testes não destrutivos estão entre estas medidas necessárias para garantir a

qualidade de componentes, resultando, primordialmente, em segurança para seres humanos. A

segurança das pessoas já é regulada por lei na maioria dos países. Estas leis devem ser obedecidas

pelo produtor ou operador sob pena de conseqüências legais e financeiras, além dos aspectos

morais envolvidos. É importante evitar reclamações oriundas de produtos danificados. O produtor

deve se prevenir contra tais ocorrências, instituindo a garantia da qualidade documentada para

que o produto saia da sua fábrica em perfeitas condições.

Por causa da responsabilidade por danos, mas também para propósitos estatísticos dentro da

empresa, é de bom senso registrar e documentar todos os testes. Em alguns casos, a

documentação escrita é uma exigência legal, como é o caso dos componentes para centrais

nucleares com a finalidade de se obter confiabilidade e rastreabilidade.

As razões para aplicação dos testes não destrutivos são: (1) confiabilidade do produto (2) evitar

acidentes (3) ajudar a projetar melhor o produto (4) manter qualidade uniforme. Uma visão geral

dos cinco métodos não destrutivos, mais comumente usados, apresenta processos, vantagens e

limitações de cada método. Nenhum método é a resposta final. Um método é o complemento do

outro.

2.9.1 Método de líquido penetrante

Processo: aplicação de um líquido, à base de óleo, à superfície do material de teste. Remoção,

secagem, revelação, inspeção.

Vantagem: uma grande variedade de materiais pode ser testada. Rápido, simples e relativamente

barato.

Limitação: detecção de falha superficial apenas. A superfície deve ser totalmente limpa.

2.9.2 Método de partícula magnética

Processo: magnetização da peça de teste e aplicação de partículas de óxido de ferro.

Vantagem: possível a detecção de falha superficial e subsuperficial.

Limitação: restrito a um grupo selecionado de materiais de teste (ferromagnéticos).

19

2.9.3 Método de radiografia

Processo: enviar radiação através de um objeto até um meio de registro tal como um filme.

Vantagem: registro visual da natureza interna do objeto de teste.

Limitação: dano de segurança. Caro.

2.9.4 Método de ultra-som

Processo: ondas sonoras de alta freqüência injetadas numa peça. O som se reflete nas falhas para

detectar a presença de um vazio (air gap).

Vantagem: é possível a detecção de falha subsuperficial.

Limitação: avaliação de falha pode ser difícil devido às variantes do equipamento de manuseio do

operador. Acoplante usado.

2.9.5 Método de correntes parasitas ou correntes induzidas

Processo: correntes elétricas induzidas são produzidas em materiais condutores expondo-se a

peça de teste a um campo magnético alternado.

Vantagem: detecção de falha superficial. Determinação de condutividade elétrica. Determinação

de permeabilidade magnética. Variações de massa e dimensão.

2.10 Teste não destrutivo por ultra-som

2.10.1 Introdução

Krautkrämer e Krautkrämer (1977, p. 2) relatam que a acústica é a ciência do som e que a mesma

é um fenômeno de vibrações mecânicas que se propagam em materiais sólidos, líquidos ou

gasosos. Portanto, o som não se propaga no vácuo porque quem vibra são as partículas da

matéria, em contraste, por exemplo, com a luz ou outras ondas eletromagnéticas, como os Raios-

X, onde o estado elétrico ou magnético do espaço oscila. Uma onda sonora pode fazer vibrar um

volume discreto de ar para trás e para frente em torno de sua posição neutra, ao passo que uma

20

onda de luz não tem influência no estado de repouso ou movimento deste volume discreto de ar.

Estas vibrações mecânicas podem, então, fazer vibrar ou movimentar as partículas da matéria de

modo regular, periódico e por um determinado tempo e, por isto, são caracterizadas em ciclos por

segundo ou freqüência em hertz e velocidade de propagação. Um hertz corresponde a um ciclo

por segundo. Entende-se por ciclo o movimento completo de ida e volta da partícula nos dois

sentidos retornando ao seu ponto de origem. O som ou vibração com freqüência abaixo de

aproximadamente 10 Hz e acima de aproximadamente 15000 a 20000 hertz ou ciclos por

segundo não é detectado pelo ouvido humano. O som acima de 20000 Hz, inaudível ao ouvido

humano, é chamado de ultra-som, assim como a luz em freqüências maiores, invisíveis ao olho

humano, é chamada ultravioleta. Ultra-sons acima de 100.000 Hz (100 kHz) até 10.000.000 Hz

(10 MHz) são gerados por rebolos de esmeril afiando peças e, também, por assobios de vapor.

Felizmente os ouvidos humanos não podem captar estas freqüências. As ondas ultra-sonoras

foram utilizadas por Sokolov em 1929, e tinham sua intensidade reduzida quando retornavam de

regiões defeituosas. Firestone, em 1942, foi o primeiro a aplicar ultra-som para testar materiais.

Após 1945, o método de ultra-som tornou-se uma ferramenta prática como teste não destrutivo de

materiais. (Apenas para acrescentar, adultos com audição normal podem ouvir notas musicais de

freqüências superiores a 16 kHz), que correspondem, no piano, a cerca de seis oitavas acima do

dó central (GENERAL DYNAMICS, 1967, p.2-5)

2.10.2 Geração de onda ultra-sonora e piezeletricidade

American Society for Nondestructive Testing (1991, seção 8, part 9, p. 258), General Dynamics

(1967), Krautkrämer e Krautkrämer (1977) e Magnaflux Corporation (1980) descrevem que, no

teste não destrutivo por ultra som, um pulso curto de corrente elétrica incide é aplicado a um

transdutor (cristal) fazendo-o vibrar. O feixe sonoro produzido no transdutor atravessa um

acoplante que pode ser água, óleo, metil celulose, etc. e se dirige para penetrar na peça de teste.

Para haver uma boa transmissão sonora do transdutor para a peça de teste, é necessária a

colocação do acoplante para eliminar a camada de ar entre eles. Na prática, um transmissor aplica

pulsos elétricos a um cristal “piezoelétrico”. O prefixo “piezo” é um termo grego que significa

“pressão” e, assim piezelétrico significa pressão elétrica. O cristal transforma a energia elétrica

em energia mecânica de vibrações que, passando através do acoplante, penetram no interior da

21

peça de teste. Considera-se a peça de teste como sendo formada por pequenas partículas,

interligadas elasticamente por molas como mostrado na FIG.13, que oscilam em torno do ponto

de equilíbrio transmitindo as vibrações de forma senoidal (FIG. 14).

FIGURA 13. Modelo de um corpo elástico.

FIGURA 14. Oscilação senoidal de uma mola carregada.

A velocidade de propagação das vibrações depende, entre outros fatores, da densidade e

elasticidade do material. Os pulsos de vibração chocam-se com o fundo da peça de teste ou outro

obstáculo (descontinuidade ou vazio) no seu interior, sendo refletidos de volta para o cristal

ocasionando novamente sua vibração (energia mecânica) que é transformada, pelo efeito

piezelétrico do cristal, em energia elétrica. Na FIG. 15 é mostrado um diagrama de bloco típico

do sistema ultra-sônico pulso eco.

22

FIGURA 15. Diagrama típico de um sistema ultra-sônico pulso-eco.

2.10.2.1 Zona morta, zero elétrico, zero acústico e bloco amortecedor

O ideal seria que o transdutor (cristal) emitisse uma vibração e parasse de vibrar esperando que a

vibração refletida de volta o fizesse vibrar novamente. Mas isto não acontece, pois o cristal

continua a vibrar e a vibração é mantida ainda pelos pulsos elétricos, emitidos pelo equipamento

numa determinada taxa. Assim, a vibração refletida de volta encontra com a vibração transmitida

gerando uma zona morta. Esta zona morta (zero elétrico mais zero acústico), juntamente com o

eco proveniente da superfície, fica inserida no eco inicial que aparece no lado esquerdo da tela,

como mostrado na FIG. 15, onde também é mostrado o pequeno eco proveniente da

descontinuidade e o eco de fundo. Portanto, fazem parte do eco inicial : (1) zero elétrico; (2) zero

acústico (3) eco da superfície.

23

Um bloco amortecedor (backing), à base de borracha vulcanizada e outros componentes, é

colocado na parte posterior do cristal para atenuar suas vibrações reduzindo os efeitos acima

expostos. Assim um cristal, no tempo total, vibra ou emite apenas 5% do tempo e recebe as

vibrações refletidas de volta em 95% do tempo. (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR

DIVISION, 1967, p. 6-3; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item

9; MAGNAFLUX CORPORATION – TRAINING DEPARTMENT, 1980)

2.10.2.2 Características construtivas de cabeçotes de ultra som

Nas FIG 16 e 17 são apresentadas as características construtivas dos cabeçotes normal de

imersão, angular de contato e normal de contato, onde pode ser visto o bloco amortecedor

posicionado atrás do cristal.

FIGURA 16. Características construtivas de cabeçote normal (imersão) e angular (contato).

FIGURA 17. Características construtivas de cabeçote normal para teste manual por contato.

24

Cabeçotes fabricados com a mesma especificação podem parecer iguais, mas, usualmente,

possuem características individuais. Podem existir falhas de construção do cabeçote tais como

variações no corte do cristal, deficiências na colagem do cristal, inclinação do cristal, lentes e

bloco amortecedor e desalinhamento das peças durante a montagem. Por causa disto, o feixe

sonoro pode sofrer anomalias tais como: deflexão angular (δ) ou deslocamento paralelo Z ou

deslocamento do ponto de saída ZA como mostrado na (FIG.18). Torna-se então necessário a

obtenção do traçado do perfil do feixe sonoro para detecções e avaliações confiáveis de

descontinuidades em componentes e estruturas. (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR

DIVISION, 1967, p. 6-3; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item

9).

FIGURA 18. Anomalias do feixe sonoro.

2.10.3 Obtenção do perfil do feixe sonoro por método ótico. Princípio de Huygens

A obtenção do perfil do feixe sonoro é necessária por duas razões: (1) Verificação das anomalias

no feixe sonoro devido a defeitos na fabricação do cabeçote, tais como, deslocamentos lineares e

angulares do eixo acústico como mostrado na FIG. 18; (2) O traçado real do feixe e as respostas

no equipamento permitem visualização geométrica mais satisfatória da posição das

descontinuidades dentro do feixe sonoro, possibilitando a obtenção de maiores informações sobre

as mesmas. As considerações e os procedimentos para obtenção do perfil do feixe sonoro de

cabeçotes de imersão utilizando método não ótico constam no item 3.6 da metodologia.

25

Ao longo e nas laterais do feixe sonoro a pressão sonora diminui à medida que se distancia do

cristal do cabeçote. A pressão sonora é detectada devido à variação local da densidade do

material ocasionada pela passagem da onda sonora. A pressão sonora é geralmente fornecida em

unidades pascal (Pa = 1 N/m2 = 0,102 kgf/m2). O método ótico mais comum para obtenção da

imagem do feixe ultra-sônico é o método Schilieren, que se baseia na variação da densidade da

água devido a pressão no feixe ultra-sônico se propagando através dela. A luz paralela (índice de

refração n = c/v, sendo c = velocidade da luz no vácuo ; v = velocidade da luz na água), passando

através desta zona perturbada, se refratará, produzindo lobo central e lobos laterais que serão

fotografados pelo método Schilieren. Na FIG. 19 é mostrada a montagem típica do método

Schilieren para visualização do feixe sonoro e na FIG. 20 mostra-se a fotografia instantânea do

formato do feixe sonoro, obtida pelo método Osterhammel, em frente a um oscilador (cristal)

com D = 6,7 λ, sendo D o diâmetro do cristal e λ o comprimento de onda da onda ultra -sônica.

Hecht (1998, p. 616) observa que a palavra schilieren, em alemão, significa estria, raia, lista,

camada.

FIGURA 19. Montagem típica do método Schilieren.

26

FIGURA 20. Esquerda: estrutura de interferência de campo sonoro. Princípio de Huygens.

Direita: campo sonoro de um oscilador (cristal) com D/λ = 6,7. Zonas claras: alta pressão sonora.

Zonas escuras: baixa pressão sonora.

Hecht (1998, p. 104 e 452) comenta que o Princípio de Huygens é o princípio segundo o qual

uma onda propaga como se a frente de onda fosse composta de um arranjo de fontes pontuais,

cada uma emitindo uma onda esférica como mostrado na FIG. 21. Nesta figura também é

apresentada uma vista da frente de onda Σ’ que viaja como um número de wavelets secundárias

esféricas, que após um tempo t, esferiza-se a partir de um raio r = 0(zero) até uma distância ou

raio r = vt. O resultado é uma frente de onda Σ’ plana (envelope das wavelets) mostrada na FIG.

22. Este processo é fácil de visualizar, tanto para a luz como para o som, em termos de vibrações

mecânicas de um meio elástico. Se o meio é homogêneo, as wavelets podem ser construídas

com raios finitos. Se não é homogêneo as wavelets possuem raios infinitesimais. Huygens assim

justificou o seu princípio:

Nós temos que considerar, ao estudar o espalhamento destas ondas, que cada

partícula de matéria da qual a onda provém não apenas comunica seu movimento

à partícula seguinte a ela, que está em linha reta a partir do ponto luminoso, mas

ela também fornece necessariamente um movimento a todas as outras partículas

que a tocam e se opõem ao seu movimento. O resultado é que ao redor de cada

partícula, neste ponto, surge uma onda da qual esta partícula é o centro (HECHT,

1998, p. 104 ).

27

FIGURA 21. Princípio de Huygens. Cada fonte pontual emite uma onda esférica (wavelet).

FIGURA 22. Resultante é onda plana.

2.10.3.1 Experimento com alvo de esfera: onda plana incidente e onda esférica

refletida pela superfície de uma esfera

Mansour (1979, p. 52) apresenta um experimento, FIG. 23, mostrando que a frente de onda

emitida pelo cristal do cabeçote é onda plana (Princípio de Huyghens) que incide na superfície de

uma esfera, refletindo em várias direções, retornando ao cabeçote como onda esférica. O restante

desta frente de onda esférica é perdida por interferência destrutiva no momento em que ela

intercepta a superfície do cabeçote em 180º de mudança de fase por meio comprimento de onda

28

(λ/2). O segmento X na área do cristal varia de acordo com a distância h cabeçote/esfera e o

comprimento de onda λ do som na água.

FIGURA 23. Onda plana ultra-sônica incidindo na superfície de uma esfera de aço e retornando

ao cristal do cabeçote como onda esférica.

Aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo retângulo da FIG. 23 tem-se:

( ) ( ) 222 5,05,0 hXh +=+ λ (3)

( )24 λλ += hX (4)

Exemplo: Cabeçote D=1/2” (12,70 mm) 10 MHz → λ = 1,48 km/s (água)

4 MHz

= 0,37 mm

Se h =15,20 mm, tem-se: X = 4,75 mm nos 12,70 mm de diâmetro de cristal.

Se h =10 mm, tem-se X = 3,86 mm nos 12,70 mm de diâmetro de cristal.

Quanto mais se aproxima o alvo do cabeçote, menor é o valor de X.

29

2.10.4 Difração

Hecht (1998, p. 434) demonstra, FIG. 24, que frentes de ondas planas de diversos comprimentos

de onda passando através de uma abertura com largura AB, se difratam, e saem como ondas

esféricas também de comprimentos de onda diferentes. A distância entre estrias vizinhas é o

comprimento de onda. Na FIG. 24(a) → λ < AB; em 24(b) → λ = AB; em 24(c) → λ > AB.

Isto é semelhante às ondas esféricas formadas num tanque de água quando, por exemplo, se joga

uma pedra na água.

FIGURA 24. Difração em aberturas.

As frentes de ondas ultra-sônicas planas também difratam na ponta de uma trinca retornando ao

cristal do cabeçote como ondas esféricas com o formato mostrado na (FIG. 24). A técnica da

difração sonora pode ser usada, por exemplo, na detecção e avaliação de trincas por fadiga, e

30

também em vasos de pressão, tais como o vaso do reator da LABGENE/CTMSP, com a

finalidade de detectar e dimensionar descontinuidades que surgem abaixo do revestimento

interno, de aço inoxidável, da parede do vaso, ocasionadas pelo choque térmico pressurizado

(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 584;

GOMES, V. T. P., 2005)

2.10.5 Princípios do teste ultra-sônico de materiais

2.10.5.1 Onda longitudinal e onda transversal

Krautkämer J. e Krautkämer H. (1977, p. 8 e 9) descrevem que as partículas do meio estão

interligadas elasticamente e oscilam de maneira senoidal em torno de seu ponto de equilíbrio,

considerando que tal corpo não sofre esforços de compressão ou tração além de seu limite

elástico. Provoca-se, no primeiro plano, a oscilação das partículas do lado esquerdo do corpo

elástico na FIG. 13 com a mesma freqüência (número de oscilações por segundo) e a mesma

amplitude (largura de oscilação). As forças elásticas transmitem as oscilações para as partículas

no segundo plano e assim para o terceiro plano, etc. Se as partículas não fossem interligadas por

molas e sim, por hastes rígidas, todos os planos de partículas iniciariam seu movimento no

mesmo tempo e permaneceriam constantes neste estado de movimento, isto é, os planos de

partículas estariam na mesma fase. No material elástico isto não acontece, pois a transmissão do

movimento de um plano de partículas para outro demanda certo tempo ou não se faz no mesmo

tempo, há certo atraso, isto é, os planos de partículas não estão em fase. Este efeito está ilustrado

na FIG.25 onde é representada a propagação de uma onda longitudinal no modelo de corpo

elástico da FIG. 13, no qual as partículas passam a vibrar em torno de seu ponto de repouso na

mesma direção de propagação da onda e os planos de partículas, por não iniciarem seus

movimentos ao mesmo tempo, formam zonas de compressão e zonas de dilatação (rarefação) por

não estarem em fase. A distância entre duas zonas de compressão ou duas zonas de rarefação é o

comprimento de onda λ. Nas zonas de compressão (maior densidade de partículas) existe maior

pressão sonora do que nas zonas dilatadas de rarefação. As ondas longitudinais se propagam em

sólidos, líquidos e gases, por isto, é que somente as ondas longitudinais é que chegam ao ouvido

humano ao se propagarem no ar. As ondas transversais ou cisalhantes, mostradas na FIG. 26,

31

ocorrem apenas em corpos sólidos. As partículas do modelo de corpo elástico da FIG. 13 são

incitadas, por uma força cisalhante (força por unidade de superfície, mas paralela à superfície, ao

contrário da pressão das ondas longitudinais, que é a força em ângulo reto com a superfície), a

vibrarem senoidalmente para baixo e para cima em torno de seu ponto de repouso, na direção

perpendicular à direção do movimento, que é da esquerda para a direita. O comprimento de onda

λ é determinado pela distância entre dois planos nos quais as partículas estão em estados

similares, ou seja, distância entre dois vales ou entre duas cristas.

FIGURA 25. Onda longitudinal

FIGURA 26. Onda transversal

A onda longitudinal é emitida por cabeçotes normais, ou seja, que emitem o feixe sonoro

perpendicularmente à superfície da peça examinada, ou em ângulo de º0 com relação á reta

normal (perpendicular) à superfície. Os cabeçotes que contêm transdutores (cristais) inclinados,

emitem ondas sonoras longitudinais (que estão dentro da sapata plástica) em ângulo diferente de

32

zero com a reta normal (perpendicular) à superfície da peça de teste. Estas ondas longitudinais, ao

penetrarem em ângulo na superfície da peça examinada, se refratam (modificam sua direção ao

penetrarem na peça examinada) e modificam seu modo de vibração de longitudinal para

transversal (conversão de modo). Estes cabeçotes são conhecidos como cabeçotes angulares.

Aumentando a inclinação do cristal dos cabeçotes angulares, através de sapatas plásticas, ou

mesmo durante a sua própria construção, eles passam a ser emissores de ondas superficiais. Nas

FIG. 27 e 28 são ilustrados estes fatos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967,

p. 2-17, 2-18 e 2-19)

FIGURA 27. Onda longitudinal e transversal no interior da peça de teste.

FIGURA 28. Conversão de modo: modo longitudinal na sapata plástica para modo transversal e

modo superficial na peça de teste.

33

2.10.5.2 Refração, conversão de modo e lei de Snell

A luz se refrata, ou seja, modifica sua direção ao passar de um meio a outro. O índice de refração

é n = c/v, sendo c = velocidade da luz no vácuo; v = velocidade da luz no meio considerado.

Assim também é o comportamento do som que sofre refração e conversão do modo de vibração

ao passar, com um ângulo diferente de zero em relação à normal à superfície, de um meio para o

outro. Este comportamento pode ser observado na FIG. 29, onde é mostrado um cabeçote de

imersão emitindo feixe sonoro longitudinal passando através da água (acoplante) e incidindo

perpendicularmente à superfície de um bloco de aço. Observa-se que não há qualquer conversão

de modo de vibração do feixe sonoro (longitudinal na água e longitudinal no interior do bloco de

aço) e nem refração, ou seja, modificação na direção do feixe sonoro ao penetrar o bloco de aço.

Já na FIG. 30, o cabeçote é inclinado 5 º com relação à reta normal (perpendicular) à superfície

do bloco. Neste caso, o feixe sonoro longitudinal incidente sofre refração e no interior do bloco

de aço são produzidos dois feixes sonoros refratados: um longitudinal e o outro transversal. O

cálculo dos ângulos de refração é feito pela lei de Snell:

2

1

2

1

VV

SenSen

=φφ (5)

sendo:

1φ = ângulo do feixe incidente (no interior da água ou sapata plástica) com a normal à superfície

da peça sob teste (neste caso particular 5º).

2φ = ângulo do feixe refratado (longitudinal ou transversal) no interior da peça sob teste.

1V = velocidade das vibrações sonoras incidentes no interior da sapata plástica ou da água.

2V = velocidade das vibrações sonoras (longitudinais ou transversais) dentro da peça sob teste

Considerando-se as velocidades de propagação do som na água ( V1L(água) = 1480 m/s) e no aço

(V2L(aço)= 5920m/s e V2T(aço) = 3250 m/s), os ângulos de refração )(2 açoLφ e )(2 açoTφ são,

respectivamente, 20º e 11º, sendo:

V1L(água) = velocidade longitudinal do som na água.

34

V2L(aço) = velocidade longitudinal do som no aço.

V2T(aço) = velocidade transversal do som no aço.

FIGURA 29. Feixe incidente normal.

FIGURA 30. Feixe incidente 5º.

2.10.5.3 1º ângulo crítico

A velocidade da onda transversal, em um dado material, é cerca de metade da velocidade da onda

longitudinal. Por isto a onda longitudinal, sendo mais rápida, afasta-se mais da normal do que a

onda transversal dentro do material examinado. Existem testes específicos onde há a necessidade

de se manter as duas ondas no interior da peça, como no caso de detecção de descontinuidades

sob o revestimento interno de aço inoxidável do vaso do reator. Estas descontinuidades podem

35

também ser geradas pelo choque térmico pressurizado, como já mencionado no item 2.14.3. No

caso do teste de imersão em tela, para que exista apenas a onda transversal dentro do material, é

preciso conhecer o valor do ângulo de incidência 1φ (1º ângulo crítico – onda longitudinal

incidente na água) para que L2φ = 90º, ou seja, a onda longitudinal tangencie a superfície do

material. Para a situação apresentada na FIG. 31, aplicando-se a lei de Snell e considerando-se

2φ = 90º, obtém-se um valor de 15º para 1φ e 34º para T2φ .

FIGURA 31. 1º ângulo crítico.

2.10.5.4 2º ângulo crítico

O segundo ângulo crítico corresponde ao ângulo de incidência para o qual a onda transversal no

material sob teste tangencie a superfície do mesmo. Para situação apresentada na FIG. 32,

considerando-se T2φ = 90º e aplicando-se a lei de Snell, obtém-se o valor de 27º para 1φ . A onda

transversal, neste caso, é denominada onda superficial ou onda Rayleigh. Analogamente, no teste

por contato, efetuado com cabeçote angular, esta onda produzida no segundo ângulo crítico é

também denominada onda superficial ou Rayleigh.

36

FIGURA 32. 2º ângulo crítico.

2.10.5.5 Cabeçotes angulares de contato

Os cabeçotes angulares de contato são construídos de tal maneira que apenas a onda transversal

permaneça dentro do material testado. Eles são normalmente construídos de forma que os

ângulos de refração do feixe sonoro T2φ sejam 45º, 60º e 70º (mais usados e indicados nas

carcaças dos cabeçotes) quando o material sendo testado é o aço e, utilizando a lei de Snell,

correspondem, respectivamente, aos ângulos de incidência fixos 1φ =36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ =

52,12º do feixe sonoro longitudinal incidente percorrendo o interior das sapatas plásticas dos

cabeçotes angulares inclinadas nestes ângulos

Caso o material de teste seja outro, como o alumínio no qual as ondas sonoras longitudinais e

transversais se propagam, respectivamente, com velocidades de 6320 m/s e 3130 m/s que são

diferentes das velocidades no aço, já não vale os ângulos marcados na carcaça dos cabeçotes. Há

de se calcular os novos ângulos de refração T2φ para alumínio através da lei de Snell,

considerando os ângulos fixos 1φ =36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ = 52,12º do feixe incidente longitudinal

com a normal à peça de teste dentro das sapatas plásticas dos cabeçotes. Na FIG. 33 é mostrado o

teste ultra-sônico por contato, numa peça de aço, utilizando cabeçote angular.

37

FIGURA 33. Teste ultra-sônico com cabeçote angular.

No caso dos cabeçotes angulares, comercializados rotineiramente, o 1º ângulo crítico 1φ é 27º 9’

e o 2º ângulo crítico 1φ é 55º 45’. Observa-se que os valores dos três ângulos de incidência 1φ =

36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ = 52,12º estão situados entre os valores do 1º e 2º ângulos críticos,

indicando que tais cabeçotes são construídos de tal maneira que a onda-L seja refletida totalmente

para fora da peça teste (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-20 a 2-

24).

2.10.5.6 Ondas Rayleigh ou superficiais

Elas foram estudadas por Lord Rayleigh (1875) porque elas são o principal componente de

distúrbio num terremoto numa distância a partir do centro do mesmo. As ondas Rayleigh ou

superficiais, como mostrado nas FIG. 28, 32, 34 e 35, viajam sobre a superfície de um sólido,

chocam-se com bordas de peças, acompanham superfícies arredondadas e quando encontram um

obstáculo, tal como uma descontinuidade ou trinca superficial, são refletidas de volta ao

cabeçote. Elas também viajam em torno de um cilindro. Ondas Rayleigh são praticamente

absorvidas quando se coloca um dedo sobre a superfície da peça impedindo o seu caminho. Por

38

isto, a superfície da peça sob teste deve ser limpa e possuir baixa rugosidade. Numa profundidade

maior abaixo da superfície a amplitude da oscilação decresce rapidamente, registrando-se o fato

que numa profundidade de aproximadamente um comprimento de onda λ as partículas já estão

praticamente em repouso. As ondas Rayleigh são também chamadas de ondas superficiais,

quando a profundidade de penetração é menor ou igual a um comprimento de onda λ. Como as

ondas Rayleigh são geradas no 2º ângulo crítico, elas são semelhantes às ondas transversais no

seu modo de vibração. Para as ondas transversais, FIG 26, as partículas do meio elástico no qual

as ondas se propagam vibram, seguindo um movimento reto, para baixo e para cima em torno de

seu ponto de repouso, na direção perpendicular à direção de propagação. Nas ondas Rayleigh as

partículas vibram também para baixo e para cima, porém, seguindo um movimento elíptico como

mostrado nas FIG. 34 e 35. A velocidade de propagação das ondas Rayleigh é cerca de 90% da

velocidade de propagação das ondas transversais

FIGURA 34. Ondas Rayleigh ou ondas superficiais.

FIGURA 35. Onda superficial ou Rayleigh no aço. Oscilação elíptica e sentido de rotação.

39

Como observado na FIG. 32, no teste por imersão se produz uma onda superficial no 2º ângulo

crítico ( 01 27=φ ). O meio líquido amortece muito a produção de ondas superficiais ou ondas

Rayleigh. Apesar disto, ondas superficiais têm sido produzidas em testes experimentais na

superfície de peças de teste submersas. Estes experimentos podem possibilitar a detecção de falha

na ligação (bonding failure) metal-metal. No caso do teste com cabeçote angular por contato,

com sapata de plexiglass, no 2º ângulo crítico 1φ = 55º 45’, com a peça de teste colocada no ar, as

ondas superficiais Rayleigh são produzidas. O uso destas técnicas de ondas superficiais,

juntamente com técnicas de difração sonora, podem ser pesquisadas, além da pesquisa de

detecção de falha na ligação (bonding failure) metal-metal, com a finalidade de detecção,

dimensionamento e avaliação de trincas de fadiga e descontinuidades abaixo do revestimento

interno de vasos de pressão ocasionados por choque térmico pressurizado (AMERICAN

SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 274, 275 e 584;

GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-28 a 2-30; GOMES, V. T. P.,

2005; KRAUTKRÄMER, J., KRAUTKRÄMER, H., 1977, p.10).

2.10.5.7 Ondas de placa ou Lamb

As ondas Lamb foram estudadas mais recentemente, em 1916, por Horace Lamb, ao passo que

as ondas Rayleigh foram estudadas por Lorde Rayleigh em 1875. As ondas Rayleigh são ondas

transversais superficiais produzidas por cabeçote angular, emissor de ondas transversais, no 2º

ângulo crítico. As ondas Lamb são produzidas por cabeçote normal inclinado num determinado

ângulo de incidência e com uma determinada freqüência e velocidade, gerando ondas

longitudinais em folhas finas com espessura de um comprimento de onda λ. Portanto, as ondas

lamb só são produzidas em folhas finas com espessura de cerca de um comprimento de onda.

Inclinando o cabeçote normal para que emita feixe sonoro longitudinal num determinado ângulo

de incidência φ em relação à normal à superfície da folha fina de determinado material, onde se

sabe que o som se propaga numa velocidade longitudinal LV , a velocidade de fase PV pode ser

calculada pela equação:

φSenVV L

P = (6)

40

O conceito de velocidade de fase já foi abordado no item 2.9.5.1 – onda longitudinal e onda

transversal – e leva em consideração que os planos de partículas, interligados elasticamente, não

iniciam seu movimento ao mesmo tempo quando um corpo elástico é excitado para vibrar. O

primeiro plano de partículas começa a vibrar e transmite seu movimento para o plano seguinte e

este para o posterior. Assim, o plano posterior começa a vibrar depois, e por isto diz-se que ele

está atrasado para vibrar ou está fora de fase com os planos anteriores. Quanto mais atrasado

para começar a vibrar ele está, menor a velocidade de fase PV .

As partículas do corpo elástico, no caso das ondas Lamb, vibram em torno de seu ponto de

repouso de dois modos básicos, classificados como simétrico ou onda dilatacional e assimétrico

ou onda de dobramento como mostrado nas FIG. 36 e 37. Observa-se, por estas figuras, que a

onda de placa ou Lamb sempre contém componentes de oscilação das partículas em ângulos retos

com a superfície. No caso do modo simétrico ou dilatacional, as partículas da zona do meio (fibra

neutra) vibram longitudinalmente. No modo assimétrico ou dobramento as partículas da zona do

meio (fibra neutra) vibram transversalmente. As partículas da periferia oscilam elipticamente em

ambos os modos. Além dos dois modos básicos, uma infinidade de modos de vibração pode ser

produzida numa dada placa fina. Cada modo de vibração (simétrico ou assimétrico) se propaga

com uma velocidade de fase PV que depende da espessura da placa e da freqüência da onda

longitudinal incidente emitida pelo cabeçote normal. A velocidade de fase PV varia de infinito

até a velocidade das ondas Rayleigh que são aproximadamente iguais a 0,90 TV , sendo TV a

velocidade das ondas transversais.

41

FIGURA 36. Ondas Lamb simétricas (dilatacional) e assimétricas (dobramento).

FIGURA 37. Ondas Lamb ou de placa em alumínio. Em cima: modo simétrico ou dilatacional.

Em baixo: modo assimétrico ou dobramento.

A literatura pesquisada não explica como identificar se o modo de vibração que está ocorrendo

sob um determinado ângulo de incidência φ de onda longitudinal é simétrico ou assimétrico.

Apenas, para determinados ângulos de incidência φ pode-se calcular a velocidade de fase PV

pela equação (6) conhecendo-se a velocidade LV da onda sonora no material sob teste. A TAB. 2

indica os modos de vibração das partículas (simétrico e assimétrico) correspondentes a cada

velocidade de fase PV das ondas Lamb. A velocidade PV é calculada pela equação (6) para

diversos valores de ângulos de incidência φ de ondas longitudinais emitidas pelo cabeçote

42

normal de 5 MHz sobre a placa de alumínio de 1.30 mm de espessura. Os valores destes ângulos

estão estabelecidos na 1ª coluna da tabela.

As ondas Lamb são aplicadas na detecção de descontinuidades subsuperficiais. Os primeiros

modos de vibração (1º e 2º simétricos e assimétricos na TAB. 2) possuem velocidade de fase

menor e não revelam descontinuidades subsuperficiais, porque sua energia fica contida próxima à

superfície, de maneira análoga às ondas Rayleigh. Modos de vibração (3º e 4º simétricos e

assimétricos na TAB. 2) possuem velocidades de fase mais altas e próximas da velocidade

longitudinal de 6320 m/s no alumínio. Onde se deseja que a energia percorra distâncias maiores

ao longo da placa ou onde se requer detecção de descontinuidades subsuperficiais, os modos com

LP VV ≅ (velocidade de fase aproximadamente igual à velocidade longitudinal) são utilizados.

Estes modos com LP VV ≅ são aplicados, na prática, em testes de imersão para detecção de

descontinuidades internas em tubos de parede fina e placas ou determinações de tamanho de grão

e testes de soldas de topo em placas e tubos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,

1967, p. 2-29 a 2-31; KRAUTKRÄMER, J., KRAUTKRÄMER, H., 1977, p.11 e 12).

TABELA 2. Ângulos incidentes de feixe sonoro longitudinal de 5 MHz, velocidades de fase e

modos de vibração de ondas Lamb produzidos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR

DIVISION, 1967, P. 2-31)

Angulo de incidência φ Velocidade de fase PV Modo de vibração produzido

33,0º

31,0º

25,6º

19,6º

14,7º

12,6º

7.8º

2,67 km/s

2,79 lm/s

3,35 km/s

4,32 km/s

5,72 km/s

6,60 km/s

10,67 km/s

1º assimétrico

1º simétrico

2º assimétrico

2º simétrico

3º assimétrico

3º simétrico

4º simétrico

43

2.10.5.8 Zona morta, zona próxima e zona remota. Ângulo de divergência

Conforme apresentado no item 2.10.3, ao longo e nas laterais (divergência) do feixe sonoro a

pressão sonora diminui à medida que se distancia do cristal do cabeçote. A pressão sonora,

geralmente fornecida em unidades pascal, é detectada devido à variação local da densidade do

material ocasionada pela passagem da onda sonora. Na FIG. 38 são mostradas as três principais

zonas que compõem um feixe ultra- sonoro: a zona morta, a zona próxima e a zona remota. A

zona morta já foi descrita no item 2.10.2.1. O comprimento ou a profundidade da zona morta é

determinada pelo comprimento do pulso emitido pelo cristal do cabeçote. Os diagramas,

fornecidos pelos fabricantes, mostrando os formatos dos feixes sonoros de cabeçotes, indicam

também o comprimento da zona morta. A zona próxima ou campo próximo é uma região de altas

e baixas intensidades sonoras. Após certa distância N (comprimento do campo próximo), o feixe

sonoro diverge ou espalha e tem-se a chamada região remota ou campo remoto. Este efeito,

analogamente à ótica, é chamado de difração Fraunhofer, devido ao fato que o feixe sonoro,

proveniente do cristal, converge para uma “abertura” ou “diversas aberturas” na largura do final

do campo próximo, e aí sofre difração. Assim, a frente de onda plana dentro do campo próximo

(Princípio de Huygens) se difrata na “abertura” e emerge como onda esférica. Como são

“diversas aberturas” na largura do campo próximo, as ondas esféricas ou wavelets, ao saírem das

“aberturas” interferem umas com as outras, resultando novamente numa frente de onda plana.

Assim, no teste de ultra-som, as frentes de onda resultantes emitidas pelo cristal são planas. As

equações (8) e (9) aplicam–se à determinação dos ângulos de divergência 6γ e 20γ , na FIG. 38,

para cristais circulares que fazem parte da maioria dos cabeçotes normais.

effDSen λγ 5,06 ≈ (8)

effDSen λγ 87,020 ≈ (9)

fc

=λ (10)

44

sendo:

effD = diâmetro efetivo do cristal (mm) calculado pela fórmula (13) abaixo

λ = comprimento de onda (mm)

f = freqüência do eco (MHz)

c = velocidade do som na peça de teste (km/s)

Na FIG. 39 é mostrado o perfil do feixe sonoro com a localização do comprimento N do campo

próximo e suas regiões de altas e baixas pressões sonoras. No gráfico da FIG. 40 ilustra-se

também um exemplo de altas e baixas pressões sonoras ocorrendo na região do comprimento N

do campo próximo. Na FIG. 41 é mostrado que, conforme a largura da peça examinada, o feixe

sonoro longitudinal ou uma porção do mesmo, divergindo, incide nas paredes laterais da peça e é

refletido, não retornando diretamente para o cabeçote. Neste ponto, o feixe sonoro sofre

conversão do modo de vibração longitudinal de suas partículas para modo transversal ou

cisalhante e retorna ao modo longitudinal. Estes ecos de indicações de modo de conversão, como

percorrem um caminho mais longo e a velocidade das ondas transversais é cerca de metade da

velocidade das ondas longitudinais, aparecem na tela do equipamento após o primeiro eco ou

reflexão de fundo. Analogamente à lei de Snell para refração, equação (5) acima, usa-se a lei de

Snell para reflexão, equação (11), de acordo com a regra que o ângulo de incidência é igual ao

ângulo de reflexão. Há de se observar que TL φφ 2≈ devido a velocidade das ondas longitudinais

serem aproximadamente duas vezes a velocidade das ondas transversais (GENERAL

DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-35 a 2-37; HECHT, 1998, p. 104, 434, 437 e

452; (KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979; KRAUTKRÄMER, J.,

KRAUTKRÄMER, H., 1977, p. 63 e 65)

T

L

T

L

VV

SenSen

=φφ (11)

sendo:

Lφ = ângulo de incidência do feixe sonoro longitudinal

45

Tφ = ângulo de reflexão do feixe sonoro transversal

LV = velocidade do feixe sonoro longitudinal na peça

TV = velocidade do feixe sonoro transversal na peça.

CABEÇOTE NORMAL

PEÇA DETESTE

100%

10%

10%

50%

50%

CAMPO PRÓXIMO (FRESNEL)N

20

25%

25%

12 6

FIGURA 38. Zonas: morta, próxima, remota e ângulo de divergência do feixe sonoro.

FIGURA 39. Comprimento N do campo próximo. Região escura: alta pressão sonora. Região

clara: baixa pressão sonora.

FIGURA 40. Exemplo de comportamento de pressão acústica ao longo do feixe ultra-sônico.

46

FIGURA 41. Efeito de parede. Conversão de modo causado por divergência do feixe sonoro.

2.10.5.9 Detecção de descontinuidades nas três zonas: morta, próxima e remota

2.10.5.9.1 Detecção na zona morta

Se uma descontinuidade é subsuperficial e próxima à superfície, ela pode estar dentro da zona

morta e não ser detectada. Na zona morta é impossível a detecção de qualquer descontinuidade.

Os diagramas, fornecidos pelos fabricantes, apresentando os formatos dos feixes sonoros de

cabeçotes, indicam também o comprimento da zona morta.

2.10.5.9.2 Detecção na zona próxima ou campo próximo

Como já mencionado, o campo próximo é uma região de altas e baixas intensidades sonoras

ocasionadas por variações de fase (planos de partículas começam a vibrar em intervalos de tempo

irregulares e desiguais que variam muito a amplitude. Portanto, se a descontinuidade

subsuperficial se situa dentro da região do campo próximo, ela é detectada, mas com amplitudes

diferentes dependendo da posição em que ela está dentro da região do campo próximo. Se for

uma região de alta intensidade sonora, ela será detectada com grande amplitude ou grande altura

de eco no equipamento de ultra-som. Ao contrário, se for uma região de baixa intensidade sonora

ela será detectada com pequena amplitude ou pequena altura de eco no equipamento de ultra-

som. Por exemplo, no campo próximo, uma mesma descontinuidade situada próxima à superfície

pode produzir uma amplitude ou altura de eco menor do que se ela se encontrasse numa

profundidade maior, ou seja, mais longe do transdutor. Na zona próxima, não existem equações

47

estabelecendo relações matemáticas entre tamanhos de descontinuidades e as amplitudes ou

alturas irregulares de ecos provenientes das mesmas.

2.10.5.9.3 Detecção na zona remota ou campo remoto

Na zona remota a amplitude da indicação de descontinuidade diminui exponencialmente com o

aumento da distância. Neste caso, uma mesma descontinuidade situada mais próxima à

superfície, produz amplitude ou altura de eco maior do que se ela estivesse a uma profundidade

maior, ou seja, mais longe do transdutor. Portanto, como o decréscimo é exponencial, é possível

executar o traçado de curvas de correção de amplitude, onde, por exemplo, a mesma

descontinuidade de referência, tal como um furo de fundo plano, situado em profundidades

diferentes, produz, na tela do equipamento, amplitudes ou alturas de eco cujo envelope possui o

formato da curva exponencial, a partir do final do comprimento N campo próximo (GENERAL

DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-36 e 2-37; KRAUTKRÄMER, J.,

KRAUTKRÄMER, H., 1977, p. 63 e 65).

2.10.5.10 Cálculo do comprimento N do campo próximo

O feixe sonoro de um cabeçote normal sai do cristal, converge e depois diverge. Esta distância

do cristal até a região de convergência é o comprimento N do campo próximo. Uma

descontinuidade posicionada nesta região de convergência produz uma grande amplitude de eco.

Portanto, define-se comprimento N do campo próximo como a distância, a partir do cristal do

cabeçote, na qual pequenos refletores ou alvos ( Dr < 0,05 Deff ) produzem os ecos mais altos. Dr

é o diâmetro do pequeno refletor e Deff é o diâmetro efetivo do cristal do cabeçote.

Os valores de N, constantes das folhas de dados de cabeçotes fornecidas pelos fabricantes, se

referem ao campo próximo no aço, incluindo os caminhos de atraso nas sapatas. O comprimento

do campo próximo para cristais circulares é determinado pela equação (BERKE, 1985;

GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967 KRAUTKRÄMER GMBH –

SMITHKLINE COMPANY, 1979):

48

cfD

cfD

N eff

4.94,0

4. 2

02

≈= (12)

sendo:

N = comprimento do campo próximo (mm)

f = freqüência do eco (MHz)

c = velocidade do som na peça de teste (km/s)

effD = diâmetro efetivo do cristal (mm)

0D = diâmetro real do cristal (mm)

097,0 DDeff = (13)

20

2 94,0 DDeff = (14)

O diâmetro effD efetivo do cristal determina a área acusticamente efetiva do cristal. Pela equação

(13), observa-se que ele é menor que o diâmetro 0D real do cristal. Isto se deve ao fato que o

cristal, ao ser montado no cabeçote, é colado ou preso nas bordas em torno de seu perímetro. Isto

faz com que a sua superfície não oscile lateralmente com a mesma amplitude, ou seja, sofra um

amortecimento. A amplitude de oscilação cai então em direção à borda do cristal.

O comprimento do campo próximo para cristais quase quadrados, onde a diferença nos

comprimentos dos lados é no máximo 12% ou a razão dos lados não excede 1,12 é dado pela

equação (BERKE, 1985):

cfa

N eff .3.1

2

= (15)

sendo:

aeff = metade do comprimento efetivo do lado maior.

49

Os ângulos de divergência 6γ e 20γ para os cristais quase quadrados são (BERKE, 1985;

GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967 KRAUTKRÄMER GMBH –

SMITHKLINE COMPANY, 1979):

effaSen λγ 44,06 = (16)

effasen λγ 74,020 = (17)

sendo:

6γ = ângulo de divergência do feixe ultra-sônico, em relação ao eixo acústico, cuja intensidade

sonora é 50% da intensidade sonora de 100% no eixo acústico. Queda de 6 dBs.

20γ = ângulo de divergência do feixe ultra-sônico, em relação ao eixo acústico, cuja intensidade

sonora é 10% da intensidade sonora de 100% no eixo acústico. Queda de 20 dBs.

2.10.5.11 Ganho ou sensitividade (dB)

Na FIG. 38 foi mostrado o formato do feixe sonoro, onde no eixo acústico existe uma pressão

sonora de 100% e nos eixos laterais a pressão sonora vai se reduzindo para os valores de 50%,

25% e 10%. Se um refletor em forma de disco, que é o refletor mais simples, for posicionado em

frente ao eixo acústico central do feixe sonoro 100%, ele produzirá uma altura de eco que,

ajustando-se o ganho em dB do equipamento em um determinado valor, é estabelecida em 80%

da altura da tela, ou seja, A1 = 80% da altura da tela. Não se altera mais este valor estabelecido

de ganho. Este refletor é movimentado lateralmente até que fique posicionado em frente ao eixo

acústico lateral de 50%, e a altura do eco se reduzirá à metade da altura original de 80%, ou seja,

altura do eco = A2 = 50% de 80% = 40% da altura da tela. Novamente, este refletor é

movimentado lateralmente até que se estabeleça em frente ao eixo acústico lateral de 25%, e a

altura do eco se reduzirá a 25% da altura original de 80%, ou seja, altura do eco = A3 = 25% de

80% = 20% da altura da tela. Finalmente, movimenta-se lateralmente o refletor até que se

50

posicione em frente ao eixo acústico lateral de 10%, e a altura do eco se reduzirá a 10% da altura

original de 80%, ou seja, a altura do eco = A4 = 10% de 80% = 8% da altura da tela.

A pressão sonora, retornando do refletor, incide sobre o cristal gerando uma tensão elétrica no

mesmo que é proporcional à pressão sonora incidente. Como esta tensão é baixa, ela é alimentada

para um amplificador cuja sensitividade pode ser variada através de um controle de ganho

calibrado em dB (decibel). Uma determinada quantidade de decibéis significa vinte vezes o

logaritmo decimal da relação entre duas grandezas. Em ultra-som, estas duas grandezas são as

duas pressões sonoras transformadas em duas voltagens e lidas como duas alturas de ecos na tela

do equipamento. A equação matemática para definir dB é a seguinte (BERKE, 1985;

KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979).

1

2log20)(AAdBV =∆ (18)

onde: )(dBV∆ = diferença de ganho entre as alturas de dois ecos.

12 AA = relação entre as alturas de dois ecos

Para converter valor de dB, leitura no equipamento de ultra-som, para razões de amplitude ou

altura entre dois ecos, aplica-se a equação:

∆

= 20

1

2 10V

AA (19)

Importante observar que, em geral, os equipamentos de ultra-som, não possuem linearidade

vertical igual ou abaixo de 20% da altura da tela. Isto significa que se o eco está com sua altura a

20% da altura da tela, uma redução de 6 dBs no ganho ou sensitividade do equipamento não

reduz sua altura pela metade (10%) como deveria acontecer. A altura do eco pode ficar abaixo ou

acima de 10% da altura da tela. Portanto, as equações (18) e (19) não se aplicam nestes casos.

51

2.10.5.12 Freqüência do eco (f)

A freqüência de eco f de um cabeçote fornece a freqüência do pulso de eco presente na entrada

do equipamento de ultra-som. Ela corresponde à freqüência f0 do meio da banda com uma queda

de 6 dBs, correspondentes às freqüências fi (freqüência inferior) e fs (freqüência superior) como

mostrado na FIG. 42. Convencionou-se a definição de que este pulso de eco é gerado de um

grande refletor (eco de fundo) situado na distância de um comprimento de campo próximo N de

cabeçotes normais e angulares ou na distância focal F de cabeçotes focalizados ou cabeçotes SE.

O material deve proporcionar pequena e desprezível atenuação sonora. A faixa de tolerância da

freqüência de eco f = f0 de um cabeçote é dada nas folhas de dados (data sheet) fornecidas pelos

fabricantes de cabeçotes. Para se obter uma medida exata de freqüência deve-se usar um

analisador de freqüência. A largura da banda de freqüência é ∆f = fs – fi. Um equipamento de

banda larga segue a curva da (FIG. 42). O EPOCH II – PANAMETRICS do CDTN é um

equipamento de ultra-som de banda larga, onde freqüências são estabelecidas pelo usuário numa

faixa que pode variar de 0,5 MHz a 15 MHz, de acordo com a freqüência do cabeçote usado, para

haver um bom casamento de freqüência (KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE

COMPANY, 1979).

FIGURA 42. Freqüência do eco f = f0 e largura de banda ∆f = fs - fi.

52

2.10.6 Teste manual e teste automatizado. Envelopes de eco.

No teste manual, o intervalo de tempo que o cabeçote permanece estático na detecção de uma

descontinuidade é maior do que o tempo necessário para obter a informação. No teste

automatizado este tempo é determinado pela freqüência de repetição de pulsos estabelecida no

instrumento, pois, a rapidez do instrumento deve ser considerada em relação à velocidade de

varredura do cabeçote. Um equipamento de ultra-som é considerado rápido, se ele é capaz de

registrar muitas variações localizadas na quantidade medida. Quando um cabeçote varre a peça

de teste numa direção paralela à superfície, o sinal ou eco que retorna de uma descontinuidade de

referência passa por um máximo decrescendo de ambos os lados quando o cabeçote é afastado

de um lado e do outro da descontinuidade. Isto produz a forma de sino também chamada de

envelope do eco mostrado na (FIG. 43). No teste manual “cultiva-se” o eco para obter o envelope

do eco. No teste automatizado é impossível “cultivar o eco”, por isso estabelece-se, como

referência, uma queda de 3 dBs, ou seja, quando o eco reduz sua altura de 100% para 71%

registra-se o sinal da descontinuidade a cada distância d∆ percorrida pelo cabeçote em

varredura lenta. No teste automatizado, a velocidade máxima de varredura mV de um cabeçote,

com uma determinada freqüência de repetição de pulsos ν estabelecida no instrumento,

necessária para medidas de descontinuidade por dois pulsos sucessivos para diferir por menos do

que 3 dBs é (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p.

489) dada por:

2dVm

∆=ν (20)

53

FIGURA 43. Envelope do eco obtido na varredura lenta de uma descontinuidade de referência.

2.10.7 Cabeçote focalizado e cabeçote SE

Os cabeçotes esférica ou linearmente focalizados se destinam à detecção de pequenas áreas,

porque produzem feixes sonoros muito menores do que aqueles produzidos por cabeçotes

normais ou planos não focalizados, como é mostrado na (FIG. 44). É como se o comprimento N

do campo próximo fosse reduzido para um comprimento igual à distância focal F. Para a maioria

dos cabeçotes focalizados, a redução ou grau de focalização K é de 20% a 50%%, ou seja,

5,02,0 ≤≤ K (K sempre menor que 1), sendo:

NFK = (21)

sendo:

F = distância focal

N = comprimento do campo próximo

A focalização é conseguida utilizando três técnicas básicas; (1) curvando o próprio material

piezelétrico do cristal, por meio de sinterização, e aterrando-o na carcaça do cabeçote através de

um conector de aterramento; (2) colando uma lente plano côncava em frente ao cristal; (3)

54

colocando uma lente bicôncava em frente ao cristal. Na FIG. 45 são mostradas as duas últimas

técnicas de focalização: lente bicôncava e lente plano-côncava.

FIGURA 44. Feixes ultra-sônicos: não focalizado e focalizado (com lente).

FIGURA 45. Técnicas de focalização (a) lente bicôncava (b) lente plano côncava.

Nos cabeçotes normais focalizados e cabeçotes SE (com dois cristais: um emissor e outro

receptor) o comprimento N do campo próximo é substituído pela distância focal F, que é a

distância entre a face de contato do cabeçote e o ponto focal. O ponto focal é o ponto onde uma

pequena descontinuidade, ali situada, provoca altura máxima de eco na tela do instrumento, isto

é, reflete a maior quantidade de energia para o transdutor. A distância focal F de um transdutor é

medida, experimentalmente, com um pequeno alvo de esfera de aço liberando reflexão sonora

máxima da sua superfície atingida por um feixe ultra-sônico. Na metodologia é apresentado, de

maneira prática, este procedimento. Embora não constituindo objeto deste texto, vale a pena citar

que no diagrama DGS (Distance Gain Size) a distância focal F é considerada como sendo a

distância na qual a curva do menor ERS (Equivalent Reflector Size) alcança seu máximo. Na

55

FIG. 46 são apresentados um cabeçote focalizado em linha e um cabeçote SE, mostrando a

distância focal F, a largura focal FB no eixo X e a largura focal FL no eixo Y.

FIGURA 46. Perfis dos feixes ultra-sônicos do cabeçote focalizado em linha (elipse) e cabeçote

SE (Dois cristais: um cristal emissor de som e outro cristal receptor do som refletido na peça).

Nesta figura são definidos os seguintes parâmetros: (1) FTn (profundidade focal ou comprimento

focal no eixo Z) que é a distância em frente ou depois do ponto focal ao longo do eixo acústico na

qual as amplitudes dos ecos de pequenos refletores sejam pelo menos “n” dBs menos do que a

amplitude do eco na distância focal. Por exemplo, n = 6 dB, o que corresponde na prática, teste

de imersão, é que se afasta ou aproxima-se verticalmente o cabeçote da esfera de aço até que a

altura do eco original se reduza pela metade (50%). Na metodologia, estas distâncias verticais são

lidas em um dispositivo traçador de altura fornecendo a profundidade ou comprimento focal FT6

para queda de 6 dBs na altura do eco proveniente da superfície coincidente com o eixo que passa

pelo centro geométrico da esfera de aço; desloca-se o transdutor verticalmente para cima e para

baixo até que a altura original do eco se reduza a 25% em ambas as posições, esta distância

vertical é a profundidade ou comprimento focal FT12 para 12 dBs. Cabe observar aqui, embora

56

não seja matéria deste texto, que a FTn pode ser determinada do diagrama DGS - Distance Gain

Size. (2) FBn (largura focal no eixo X) e FLn (largura focal no eixo Y): a distância a partir do

eixo acústico, na qual a amplitude de eco cai por “n” dBs é designada como largura focal FBn

(eixo X) e a distância a partir do eixo acústico na qual a amplitude do eco cai por “n” dBs é

designada por FLn (eixo Y). Estas distâncias são determinadas movimentando-se lateralmente um

pequeno alvo refletor em forma de esfera ou pino, situado no ponto focal, em ângulos com o eixo

acústico, havendo então uma redução na amplitude ou altura do eco. Se o alvo refletor é

movimentado para ambos os lados, nas direções X e Y, até que a altura do eco se reduza a 50%,

ou 6 dBs, tem-se os valores de FB6 e FL6. Continuando o movimento lateral afastando-se mais do

alvo refletor até que a altura do eco se reduza a 25% ou 12 dBs, tem-se os valores de FB12 e

FL12.

2.10.7.1 Formato dos focos dos feixes sonoros de cabeçotes normais, cabeçotes focalizados

em linha e em ponto, cabeçotes SE e cabeçotes angulares

O formato do foco é definido determinando-se FBn (eixo X) e FLn (eixo Y) com o alvo refletor

situado na distância focal F. Em cabeçotes normais que, como regra possuem cristais circulares,

o ponto focal está no final do comprimento N campo próximo. Eles geram um feixe sonoro que

tem uma seção transversal circular, portanto, FBn = FLn no foco. Em cabeçotes focalizados em

linha a seção transversal do foco é elíptica, como se pode observar na FIG. 46, e FBn ≠ FLn. Em

cabeçotes focalizados em ponto, a seção transversal do pequeno foco é circular, FBn = FLn.

Cabeçotes SE geram feixes não circulares como mostrado na FIG. 46, portanto, FBn ≠ FLn.

Cabeçotes angulares geram feixes não circulares, FBn ≠ FLn. (AMERICAN SOCIETY FOR

NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 258, 260; BERKE, M., 1985, Chapter 2, p.

7; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item 5)

2.10.8 Convergência do foco ultra-sônico em metais ou outros materiais. Efeito de segunda

lente.

No teste por imersão as velocidades sonoras no metal e na água são diferentes. Por isto, o feixe

sonoro ao penetrar a superfície do metal sofre refração seguindo a lei de Snell. A superfície do

57

metal forma uma segunda lente que é muito mais potente do que a lente colocada na frente do

cristal. Este efeito de lente desloca o ponto focal para mais perto da superfície do metal, em

comparação com o comprimento focal, considerando-se a propagação apenas na água, como

mostrado na (FIG. 47). A segunda lente introduz três efeitos importantes: (1) reduz o diâmetro do

feixe; (2) melhora a sensitividade e a resolução de descontinuidades bem próximas à superfície

(3) efeito direcional acentuado. Estas complexas interações produzem grandes aumentos na

sensitividade. Os distúrbios provenientes de superfícies rugosas e ruído no metal são reduzidos

devido à concentração da energia sonora num feixe menor. Então, numa área diminuta, as

indicações ou alturas de ecos provenientes de descontinuidades reais serão relativamente maiores

do que as indicações provenientes de ruídos e outras indicações irrelevantes. Há possibilidade

também de se estudar áreas que produzem amplitudes de reflexão (alturas de eco) muito baixas,

tais como interfaces (ligações) aço inoxidável/cobre eletro-depositado e aço inoxidável/UO2 no

combustível tipo placa para reatores nucleares. Na FIG. 48 é mostrado o sistema típico para teste

ultra-sônico de imersão onde se vê o tanque de água e o sistema de varredura, possibilitando

movimentos dos cabeçotes de ultra-som nas direções XYZ, conforme indicado pelas setas

(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 262;

GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 3-11. 3-16 e 3-17).

FIGURA 47. Efeito segunda lente deslocando o ponto focal para mais perto da superfície.

58

FIGURA 48. Sistema típico para teste ultra-sônico de imersão.

2.10.9 Reflexão e transmissão

Outra quantidade que define a propagação da onda no interior de cada material é a impedância

característica Z, também chamada de impedância acústica ou impedância mecânica oferecida

pelo material à passagem da onda sonora, e assim definida:

cZ .ρ= (22)

Sendo:

Z = impedância acústica do material sob teste (kg/m2.s)

ρ = densidade do material sob teste (kg/m3)

c = velocidade do som dentro do material sob teste (m/s)

Reflexão é o retorno da onda sonora após incidir na interface de materiais diferentes; transmissão

é a passagem de uma porção das ondas sonoras através da interface do primeiro para o segundo

material. Devido à diferença de impedância acústica dos dois materiais, a onda sonora

proveniente do primeiro material, ao incidir na interface, se divide: uma parte é refletida de volta

para o primeiro material e a outra parte é transmitida para o interior do segundo material, como

mostrado nas FIG. 49 e 50. Pode-se notar por estas figuras que na região da interface existe

interação ou interferência entre a frente de onda incidente e a frente de onda refletida. Pi é a

59

amplitude (pressão ou energia) da onda incidente, Pr é a amplitude (pressão ou energia) da onda

refletida e Pt é a amplitude (pressão ou energia) da onda transmitida. O meio que possui maior

impedância acústica Z reflete mais. O tungstênio que possui uma alta impedância acústica (Z =

104,286 x 106 kg/m2.s) reflete 94,5% dos 100% da onda sonora incidente e deixa passar para o

seu interior apenas 5,5%. O urânio que também possui uma alta impedância acústica (59,84

kg/m2. s) reflete 90,58% da energia sonora incidente e deixa transmitir para o seu interior apenas

9,42%. Na metodologia, onde se pesquisou a ligação do revestimento de aço inoxidável 304 com

o cerne combustível UO2/aço inox, este comportamento foi levado em consideração.

FIGURA 49. Ondas sonoras senoidais incidente, refletida e transmitida.

FIGURA 50. Frentes de ondas sonoras incidente, refletida e transmitida.

60

Os fatores de reflexão R e transmissão T são, matematicamente, assim definidos:

( )( )2

12

212

ZZZZR

+−

= (23)

( )212

214ZZZZT

+= (24)

Num teste de imersão em alumínio, sob condições ideais, isto é, sem quaisquer perdas, utilizou-se

os dados de impedância acústica 1Z = 1,48 x 106 kg/m2.s para a água e 2Z = 17,064 x 106 kg/m2.s

para o alumínio constantes da TAB. 3 . Aplicando estes dados nas equações (23) e (24), pode-se

ver, pela análise da FIG. 51, que dos 100% de energia incidente na superfície apenas 29,4% é

transmitida para dentro da peça de alumínio. A onda transmitida, ao incidir sobre uma falha

perfeita (lisa, plana e sem rugosidade) no interior da peça de alumínio, é completamente refletida.

Quando a onda refletida, com 29,4% de energia inicial, atinge novamente a interface

alumínio/água, ela será parcialmente transmitida através da interface, e a onda transmitida

conterá apenas 8,6% da energia inicial emitida pelo cabeçote, ou seja, a onda que retornará ao

cabeçote, excitando o cristal, terá apenas 8,6% da energia da onda original. Na metodologia, no

caso da placa combustível, na interface placa de revestimento de aço inoxidável e cerne

combustível da liga UO2/aço inoxidável, o retorno da onda sonora para o cabeçote é ainda menor,

1,27% a 1,44%, no teste por imersão e 0,92% no teste por contato utilizando cabeçote com

sapata de atraso (delay line transducer). No teste por imersão o retorno pode ser maior devido ao

uso de cabeçotes focalizados onde a placa combustível é posicionada na região focal, onde a

intensidade de energia do feixe sonoro é elevada. Estes retornos diminutos de energia sonora

obrigam o instrumento a trabalhar com ganhos excessivos gerando ecos de alturas consideráveis,

correspondentes a ruídos que podem se confundir com as reais e também diminutas indicações de

descontinuidades. Isto constitui uma piora ou redução na relação sinal/ruído, ou seja, sinal da

descontinuidade se confundindo com o ruído inerente ao aumento da amplitude ou ganho

(sensitividade). Importante observar que no teste por contato com cabeçote normal com cristal de

titanato de bário (BaTiO3) este, geralmente, possui placa de proteção ou desgaste, feita de

alumina, na frente do cristal para não danificá-lo. A transmissão da onda sonora de retorno para o

61

cabeçote se torna menor, pois, além de passar pelo óleo acoplante, ela tem que atravessar a placa

de alumina cuja impedância é cerca de 23 vezes maior que a do óleo acoplante. Os valores de

impedâncias têm que ser, na medida do possível, aproximadamente iguais, para haver um

adequado casamento de impedâncias e uma melhor transmissão da onda sonora para o cristal do

cabeçote. Para atenuar este efeito, fabrica-se a placa de proteção com espessura t muito fina,

cerca de um quarto do comprimento de onda λ do feixe sonoro percorrendo o interior do aço onde

a velocidade sonora é 5920 m/s. Para um cabeçote normal de contato de freqüência 4 MHz, o

comprimento de onda é λ = 5,92/4 = 1,48 mm. Assim, a espessura t da placa de proteção de

alumina para uma máxima transmissão sonora para o interior do cristal do cabeçote com um

mínimo grau de interferência será 1,48/4 = 0,37 mm. Não considerando a impedância acústica da

película de óleo acoplante (Zóleo = 1,40x106kg/m2. s), por ter espessura muito fina, menor, por

exemplo, do que um comprimento de onda no óleo igual a 0,435 mm para cabeçote de 4 MHz,

deve haver um casamento ou semelhança entre os valores de impedância do cristal de titanato de

bário (Zc = Ztitanato = 25,08 x106kg/m2.s), impedância da placa de proteção de alumina (Zp =

Zalumina= 32,40 x 106kg/m2.s) e impedância do material da peça de teste (Zm = Zaço = 46,472

x106kg/m2.s) para haver uma boa transmissão de energia sonora de retorno para o cristal titanato

de bário, conforme a equação (25) que deu origem ao gráfico da FIG. 52, onde se observa que a

máxima transmissão ocorre quando a impedância acústica da placa de proteção fica em torno de

32x106 kg/m2.s (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume

7, p. 260; BERKE, M., 1985, Chapter 1, p. 5, 6 e 13; KRAUTKRÄMER GMBH – DIV.

MARKETING-COMUNICACIONES, 1977, p. 86 a 89)

FIGURA 51. Teste de imersão em alumínio.

62

TABELA 3. Velocidade, densidade, impedância acústica, fator de reflexão, fator de transmissão e

índice de refração para materiais envolvidos no teste ultra-sônico de materiais

(KRAUTKRÄMER GMBH – DIV. MARKETING-COMUNICACIONES, 1977, p. 86 a 89).

Na água a 25 ºC (77 ºF) -------------------------------------------------------------- Material Velocidade Densidade Impedância Fator de reflexão Fator de Índice de refração do do som acústica transmissão material sob teste c2 (longit.) ρ Z2 R = (Z2 – Z1)2 T = 4Z1Z2 (103m/s) (103kg/m3) (106Kg/m2.s) (Z2 + Z1)2 (Z2 + Z1)2 n = c1/c2

em relação à água

Aço 5,92 7,85 46,472 88,00% 12,00% 0,25 Alumínio 6,32 2,70 17,064 70,60% 29,40% 0,234 Tungstênio 5,46 19,10 104,286 94,50% 5,50% 0,27 Urânio 3,20 18,70 59,84 90,58% 9,42% 0,46 Ar 0,333 0,001 0,00 100,00% 0,00% 4,44 Água 1,48 1,000 1,48 0,00% 100,00% 1,00 Plexiglass 2,73 1,18 3,22 13,80% 86,20% 0,54 Sulfato lítio 4,72 2,06 9,72 0,15% 99,85% 0,31 Alumina 9,00 3,60 32,40 0,83% 0,17% 0,16 Titanato bário 4,40 5,70 25,08 0,79% 0,21% 0,33 Óleo (azeite) 1,74 0,87 1,514 0,00% 100,00% 0,85 Observações: - O índice 1 se refere à água (acoplante) e o índice 2 se refere ao material sob teste. - c1 = 1,48 x 103 m/s (Velocidade do ultra som na água) - Z1 = 1,48 x 106 Kg/m2.s (Impedância acústica da água) - Considera-se que o som vai do meio 1 (água) para o meio 2 (material sob teste) e se refrata ou muda a sua trajetória ao entrar no material.. Por isto, o índice de refração é n = c1/c2 , ou seja, do material sob teste em relação à água.

( ) ( )22

2

.

..16

mpcp

mcp

ZZZZ

ZZZT

++= (25)

sendo:

pZ = impedância acústica da placa de proteção

cZ = impedância acústica do cristal

mZ = impedância acústica do material da peça de teste

63

Introduzindo na equação (25) os valores pZ = 32,40 (alumina), cZ = 25,08 (titanato de bário) e

mZ = 46,47 (aço) tem-se T = 0,95 = 95%

FIGURA 52. Fator de transmissão ( )T x Impedância acústica da placa de proteção do cristal

( )pZ .

2.10.10 Efeitos das superfícies e das descontinuidades sobre o feixe sonoro

Peças de teste com superfície inclinada, como a mostrada na FIG. 53, refletem o feixe sonoro em

várias direções, resultando na perda total da reflexão ou eco de fundo ou num sinal ultra-sônico

chegando ao cristal do cabeçote. Estes sinais devem ser bem estudados para não serem

interpretados como provenientes de indicações de descontinuidades.

FIGURA 53. Efeitos de superfícies inclinadas sobre o feixe ultra-sônico.

64

Se a superfície da peça de teste é convexa, como mostrado na FIG. 54, o feixe sonoro torna-se

largo, pois é refratado e refletido obedecendo a lei de Snell. Por isto, potência ou energia acústica

considerável é perdida e os sinais que retornam de uma descontinuidade são pequenos

comparando-os com os sinais maiores provenientes da mesma descontinuidade numa peça de

teste de superfície plana. Se a superfície da peça de teste é côncava, como na FIG. 55, o feixe

sonoro converge e fica estreito, formando região focal de forte pressão sonora incidindo na

descontinuidade, resultando em relativamente maior amplitude ou altura de eco proveniente da

mesma. Isto pode dificultar a identificação e a discriminação da descontinuidade por causa das

reflexões não desejadas da superfície da peça de teste que forma uma lente convergindo

fortemente o som em direção ao cristal do cabeçote. Nas FIG. 56 e 57 são apresentados os

diversos efeitos das superfícies e das descontinuidades que tornam fracos ou fortes os sinais ultra-

sônicos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-33 e 2-34).

FIGURA 54. Efeito da superfície convexa.

FIGURA 55. Efeito da superfície côncava.

65

FIGURA 56. Efeitos das superfícies na intensidade sonora.

FIGURA 57. Efeitos das descontinuidades na intensidade sonora.

2.10.11 Formação de descontinuidades em forjados, laminados e extrudados

O conhecimento dos processos de fabricação e metalurgia dos materiais é muito útil para

interpretar os sinais ultra-sônicos provenientes dos mesmos. Descontinuidades em forjados

tendem a se orientar na direção do fluxo de grão. Os processos subseqüentes à operação de forja

são laminação ou extrusão. Na laminação de uma placa ou chapa, a direção do grão, que é a

direção que o metal flui durante o trabalho de laminação, é relativamente simples de se

66

determinar. As descontinuidades ou delaminações ficam geralmente paralelas à superfície da

chapa e alongadas na direção em que ocorreu a maior quantidade de laminação. Porém existem

variações para esta generalização e as descontinuidades podem ficar orientadas na direção

transversal à direção de laminação como no caso do alumínio 7075-T6. Na extrusão, as

descontinuidades ficam aproximadamente alongadas na direção da extrusão, ou seja, alongadas

na direção do comprimento do eixo (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE

TESTING, 1991, Volume 7, p. 235 e 236)

2.10.12 Detecção de descontinuidades próximas à superfície

Ao se varrer a peça de teste com um cabeçote normal, as descontinuidades que estão muito

próximas à superfície não podem ser detectadas sempre. Isto é devido ao efeito da zona próxima

e tempo de recuperação do equipamento. A onda sonora refletida por uma descontinuidade

próxima à superfície interfere com as ondas sonoras refletidas da superfície frontal, sendo o

equipamento de ultra-som incapaz de resolver ou separar a energia em dois diferentes sinais.

Uma leve variação na aparência da reflexão frontal não é necessariamente uma indicação da

descontinuidade próxima à superfície. Isto é devido ao fato que uma variação na planicidade ou

rugosidade da superfície do objeto sob teste pode também produzir uma indicação da superfície

frontal. Variações na rugosidade ou planicidade suficientes para causar flutuações numa

indicação da superfície frontal podem usualmente ser detectadas por toque. Quando flutuações da

reflexão frontal não podem ser atribuídas à condição de superfície, a possibilidade de ocorrência

de uma descontinuidade próxima à superfície deve ser investigada realizando o exame pela

superfície oposta. Descontinuidades próximas à superfície podem também ocasionar uma perda

da reflexão de fundo. Para melhorar a detecção de descontinuidades próximas à superfície,

utilizam-se técnicas de transdutores duplo cristal ou SE, cabeçotes focalizados e cabeçotes com

sapatas de atraso, onde uma sapata plástica de certo comprimento é colocada em frente ao cristal

para confinar em seu interior a zona morta e o campo próximo (AMERICAN SOCIETY FOR

NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 237 e 238).

67

2.10.13 Granulação grosseira. Diâmetro médio das microesferas. Altos níveis de

ruído. Detecção ultra-sônica.

Os sinais ultra-sônicos provenientes de tamanhos de grãos grosseiros, comparados com os

tamanhos de grãos padrões 1 a 4 ASTM, geram consideráveis níveis de ruído ou ecos de elevada

amplitude em forma de “gramas” na tela do equipamento de ultra-som, que podem mascarar

indicações de descontinuidades. Os grãos grandes e largos resultam de (1) alta temperatura

durante o trabalho a quente (2) subseqüente recozimento impróprio. A peça de teste tem que ser

tratada para haver refinamento de grão atingindo o tamanho padrão 6 a 8 ASTM e a conseqüente

ausência ou redução de ruído. No item 2.7, FIG. 11, é mostrada foto micrografia, pós-laminação

da miniplaca combustível e autoclavagem a 225 ºC, do núcleo combustível com microesferas de

UO2 de alta esfericidade e diâmetro médio de 170 µm (bem próximo ao diâmetro especificado

de 150 µm) que podem gerar consideráveis sinais ultra-sônicos de ruídos. O crescimento de grão

de UO2 ocorre a partir de 1700 ºC e acima. Portanto, no combustível tipo placa em tela não

ocorre crescimento de grão de UO2, pois a sinterização da pastilha é feita a 1200ºC/2h/H2. Assim,

problemas de detecção e ruídos no teste por ultra som deverão ser principalmente atribuídos ao

tamanho relativamente grande das microesferas cujo diâmetro médio é 170 µm ou 0,17 mm

(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 238 e 239;

ASSIS, G., 2007; FERRAZ et al, 2003, p. 5 e 12 a 15; FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24).

2.10.14 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico num tanque de imersão

O perfil do feixe ultra-sônico é traçado com o auxílio de um pequeno refletor, dentro de um

tanque de imersão com água, o qual pode ser uma esfera de aço ou um pino de face plana ou um

arame fino que é varrido pelo feixe ultra-sônico. Neste trabalho, escolheu-se como alvo refletor a

esfera de aço varrida, no plano horizontal nas direções perpendiculares x e y , por um feixe

sonoro numa distância vertical z dentro de um tanque de água, como mostrado na (FIG. 58). O

cabeçote é movimentado para baixo e para cima na direção z e lateralmente nas direções x e

y até que o eco proveniente do centro geométrico da superfície da esfera seja maximizado e

colocado, através do ajuste de ganho do instrumento, a 80% da altura da tela. A distância z

corresponde ao comprimento N do campo próximo para cabeçotes normais sem lente ou à

68

distância focal F para cabeçotes focalizados como já mostrado na (FIG. 46). Para determinação

dos comprimentos x (largura focal FBn na direção x e y (largura focal no eixo y ),

movimenta-se lateralmente a esfera de aço nos sentidos xx +− , e yy +− , até que o eco se reduza

à metade da sua altura original de 80%, ou seja, fique em 40% da altura da tela, o que

corresponde a uma queda de 6 dBs, sendo então determinados os diâmetros focais nas direções

x e y . Com o eco maximizado a 80% da altura da tela, com o feixe sonoro colocado novamente

sobre o centro geométrico da superfície da esfera, o cabeçote é movimentado verticalmente na

direção z e a ponta superior do eco se movimentará horizontalmente com a altura de 80%, por

uma determinada distância até o limite em que começa a decair de 80% de altura da tela. Esta

distância é o comprimento focal FTn no eixo z . A movimentação vertical do cabeçote nos dois

sentidos z+ e z− fornece o comprimento focal FTn no dois sentidos. Na metodologia, com a

finalidade de examinar, através da técnica de ultra som por imersão, placas combustíveis

conforme esquema mostrado na FIG. 100, foi construído e montado o equipamento XYZ da FIG.

99, de maneira semelhante à montagem da FIG. 58, para possibilitar o traçado do perfil do feixe

sonoro de maneira mecânica e não por método ótico, princípio de Huygens.

FIGURA 58. Esquema do equipamento XYZ para traçar o perfil do feixe sonoro utilizando uma

esfera como alvo refletor.

69

2.10.15 Refletores de referência

O teste não destrutivo por ultra-som detecta descontinuidades naturais (trincas, poros,

delaminações, etc) em componentes e que, dependendo do seu tamanho e localização, podem

comprometer a utilização do componente e afetar a segurança. O exame de um componente é

realizado com o auxílio de padrões de referência contendo descontinuidades artificiais com

geometria conhecida, cujos sinais ultra-sonoros serão obtidos e arquivados, de acordo com

normas estabelecidas, para posteriormente serem comparados com os sinais ultra-sonoros

provenientes de descontinuidades naturais encontradas no componente. Diz-se então que o

tamanho e forma de uma descontinuidade natural, situada numa determinada profundidade na

peça de teste, equivale, sob as mesmas condições de teste, a um determinado tamanho e forma de

descontinuidade simulada de referência, inserida artificialmente em bloco de referência

geralmente do mesmo material que a peça de teste, situada na mesma profundidade que a

descontinuidade natural. Portanto, a descontinuidade natural é quantificada como equivalente a

um determinado tamanho de refletor artificial.

Os níveis de avaliação, com base em normas oficiais ou resultados de estudos, devem constar na

especificação do produto. Como exemplo, se a altura do sinal ultra-sonoro proveniente de uma

descontinuidade natural for menor que a altura do sinal ultra-sonoro proveniente de um

determinado tamanho de refletor equivalente, estipulado para ser a referência, a descontinuidade

é considerada como não prejudicial ao uso do componente, que poderá continuar operando com a

presença da descontinuidade. Caso contrário, o componente deve ser reparado ou retirado de

operação.

Nas FIG. 59 a 62 são mostrados alguns refletores de referência artificiais utilizados no teste por

ultra-som para avaliação de descontinuidades naturais, a saber, parede de fundo (backwall), furo

cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole), furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole), entalhe

(notch) e ranhura (groove), (BERKE, M., 1985, chapter 5, p. 74 a 82; GENERAL DYNAMICS –

CONVAIR DIVISION, 1967, p. 3-19 a 3-23 e 5-3 a 5-12).

70

FIGURA 59. Parede de fundo (backwall).

FIGURA 60. Furo cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole).

FIGURA 61. Furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole).

71

(a) (b)

FIGURA 62. (a) entalhe (notch) e (b) ranhura (groove).

72

3 METODOLOGIA

3.1 Fabricação de miniplaca combustível com núcleo de pastilha UO2/aço inox

A metodologia apresentada a seguir, mostra, com detalhes dimensionais e parâmetros de

construção envolvidos, os procedimentos de fabricação das pastilhas, a partir da mistura ou

dispersão das microesferas de UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304, e os procedimentos de

fabricação das miniplacas combustíveis, também com detalhes dimensionais e parâmetros de

construção envolvidos, a partir das pastilhas já conformadas e prontas. Cada caramelo ou pastilha

verde de 13,5mm x 13,5mm é introduzido num quadro ou moldura (picture frame) contendo furo

usinado um pouco maior que 13,5mm x 13,5mm. Esta moldura é de aço inoxidável 304 e possui

a espessura de 1/4” (6,35 mm). Em seguida são soldados (Solda TIG – Tungsten Inert Gas)

neste conjunto moldura/caramelo, de ambos os lados, duas chapas de revestimento (cladding) de

aço inoxidável 304 com espessura de 1,00 mm cada uma ( se a espessura for 0,4 mm as chapas de

revestimento rompem na interface entre chapa de moldura e o núcleo do combustível durante

a posterior laminação a quente – 1300 ºC - e também rompem pela oxidação excessiva

permitindo, nos dois casos, o vazamento de fragmentos de combustível ) deixando duas

aberturas para saída do gás de soldagem por ocasião da laminação. Na FIG. 63 é mostrado o

conjunto moldura, revestimentos e pastilha antes da montagem.

FIGURA 63. Conjunto moldura (picture frame), pastilha e duas placas de revestimento.

Espessura inicial da moldura (picture frame) = 6,35 mm (1/4”). Espessura inicial da pastilha

combustível UO2/inox = 6,35 mm (1/4”). Espessura inicial de cada placa de revestimento = 1,0

mm.

73

Na FIG. 64 é apresentado o conjunto já montado, mas ainda sem a solda TIG ao redor de seu

perímetro.

FIGURA 64. Montagem inicial da miniplaca combustível antes do fechamento por soldagem TIG

nas bordas moldura/revestimento para posterior laminação. Espessura total da miniplaca

combustível antes da laminação = 8,35 mm.

A partir deste ponto são utilizados os seguintes equipamentos: (1) FIG. 65 – lado esquerdo:

Laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas, marca SUNDWIG, composto de 2 cilindros

de trabalho com diâmetro de 100 mm e dois cilindros de encosto com diâmetro de 300 mm; 1

motor trifásico, marca BAUKNECHT de 32/45 KW, 380 V e 63,5/84 A; 1 motor trifásico

para acionamento dos cilindros de encosto, marca SIEMENS de 7,3 KW, 220/380 V, 18 A e 1

caixa de redução com embreagem, sem marca (2) FIG. 68 – lado direito: Forno tubular 1300 ºC,

marca EDG, modelo FT-80/5P/WBF, configuração bipartido, carcaça de aço carbono,

comprimento 1100 mm, temperatura máxima uniforme de 1300 ºC em uma região de 800 mm de

comprimento, equipado com controlador micro-processado modelo EDGON 0-5P de 5 ciclos

completos, flange para fixação de tubo de alumina com diâmetro externo de 90 mm onde foi

adaptado na extremidade deste tubo um dispositivo para permitir entrada de gás inerte argônio

evitando a oxidação da miniplaca combustível durante o aquecimento (3) Dispositivo para

desempeno de chapas consistindo de duas chapas de aço inox, cada uma com comprimento x

largura x espessura = 400x150x15 mm, com parafusos laterais para fixação e aperto das chapas

laminadas (BRAGA, D. M.;DE PAULA, J.B.; FERRAZ, W.B. Disponível em

<http://www.instec.cu/e-books//LIBROS/enfir/RO7/R07_361.PDF> Acesso em 07.01.2008).

74

FIGURA 65. Lado esquerdo: laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas. Lado direito:

forno tubular 1300 ºC.

Leva-se, então, esta miniplaca combustível ou sanduíche, com espessura original de 8,35 mm ao

forno tubular 1300 ºC; rampa de aquecimento do forno ou velocidade máxima de aquecimento

do forno é 15 ºC/minuto; tempo de recozimento aproximado de 15 minutos injetando-se argônio

para evitar oxidação nas chapas de revestimento; vazão de argônio: 5 litros/minuto (em

experiência posterior aumentado para 15 litros/minuto) e calibrado a 3,5 kgf/cm2; capacidade do

cilindro de argônio: 10 m3 = 10000 dm3 = 10000 litros. O ponto de equilíbrio de forno é atingido

em aproximadamente 15 minutos.

Retira-se então, com a pinça, rapidamente do forno, a placa combustível que é colocada

imediatamente no laminador de chapas quádruo. Lamina-se a quente 1300 0C. Após este passe de

laminação retorna-se com a placa combustível para o forno e prossegue-se retirando e colocando

seguidas vezes no forno e executando vários passes de laminação, ocasionando redução

progressiva em sua espessura até obter a placa combustível com espessura de 2,90 mm. Com a

posterior laminação a frio, para obter precisão de medida, atinge-se a espessura de 2,40 mm,

conforme especificação dimensional exigida pelo Segundo Núcleo do INAP/CTMSP – Instalação

Nuclear a Água Pressurizada do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (FERRAZ et al,

2003, p. 3).

Os passes progressivos de laminação são descritos detalhadamente a seguir:

75

1º passe de laminação: Espessura inicial de 8,35 mm para espessura de 7,50 mm

Redução de 11,76% na espessura

Retorna com a placa combustível para o forno

2º passe de laminação: Espessura de 7,50 mm para 5,60 mm



3º passe de laminação: Espessura de 5,60 mm para espessura de 4,00 mm




Redução de 20% na espessura




Resfriar ao ar livre

Na FIG. 66 é mostrada a seqüência típica para a fabricação de miniplaca combustivel .

FIGURA 66. Seqüência típica empregada na construção de miniplaca combustível incluindo a

montagem em suportes resultando na simulação do elemento combustível mostrado na FIG. 4.

76

Em seqüência, as placas são decapadas quimicamente em uma solução aquosa de ácido nítrico

(HNO3) e ácido fluorídrico (HF). Logo a seguir, para obtenção da precisão dimensional da

medida final de espessura de 2,40 mm, as miniplacas são laminadas a frio, com redução de 5% na

espessura em cada passe de laminação. Finalmente, as miniplacas combustível são desempenadas

no dispositivo de desempeno de chapas, descrito acima neste mesmo item 3.2, e devem ter

acabamento com rugosidade superficial especificada de 1 µm e não apresentar, externa e

visualmente, qualquer evidência de rompimento, empolamento ou inchação (swelling) (FERRAZ

et al, 2003, p. 6). A FIG. 67 mostra uma miniplaca combustível apresentando empolamento ou

inchação (swelling).

FIGURA 67. Miniplaca combustível apresentando inchação (swelling) visível na região do

núcleo na placa.

Importante notar que o tamanho do forno (comprimento 1000 mm) permite a fabricação de

miniplacas com dimensões de 520 mm (52 cm) de comprimento e largura de 52 mm (5,2 cm).

Mas para se fabricar placas do tamanho real de 60 cm de comprimento para serem utilizadas no

reator é necessário um forno maior, ou seja, com largura maior. Tal forno não existe no CDTN

(FERRAZ et al, 2004, p. 23 e 24).

77

3.2 Controle da qualidade nas miniplacas combustível

3.2.1 Critérios para adoção dos refletores de referência para o teste não destrutivo por

ultra-som

Conforme já apresentado, alguns dos refletores de referência artificiais utilizados no teste por

ultra-som para avaliação de descontinuidades naturais são: a parede de fundo do componente,

furos cilíndricos, furos de fundo plano, entalhes e ranhuras. Katchadjian (2002) detectou,

utilizando o teste não destrutivo por ultra-som, um furo de fundo plano de diâmetro 2,5 mm

usinado no cerne de um combustível tipo placa para reatores de pesquisa e teste de materiais com

revestimento e moldura de alumínio. Descontinuidades artificiais como um furo passante de 0,23

mm de diâmetro e entalhes de comprimentos 3,20 a 3,25 mm, larguras de 0,051 a 0,089 mm e

profundidades de 0,064 a 0,241 mm foram usinados sobre a superfície do revestimento de aço

inoxidável 304 ou 316 de um elemento combustível de reator de potência a metal líquido e

adotados como refletores (descontinuidades) de referência para teste eletromagnético por

correntes parasitas (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991,

Volume 4, part 3, p. 447). Blocos de referência de aço e alumínio com furos de fundo plano são

recomendados por normas internacionais (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

MATERIALS – ASTM – E- 428, 1992; AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND

MATERIALS – ASTM – E- 127, 1992).

Neste trabalho os refletores de referência utilizados, usinados sobre a superfície de uma

miniplaca combustível, são furos de fundo plano e entalhes. Na FIG. 68 é mostrada a máquina de

eletro-erosão por penetração utilizada para executar a usinagem destes refletores de referência. A

miniplaca combustível utilizada nos experimentos foi identificada como PE 01.

78

FIGURA 68. Máquina de eletro-erosão por penetração para usinagem de padrões artificiais de

referência tais como furos de fundo plano e entalhes.

3.2.2 Procedimentos para determinação da localização e da profundidade dos refletores de

referência usinados sobre a superfície da miniplaca combustível PE 01

3.2.2.1 Ensaio inicial para a identificação de regiões com descontinuidades

Primeiramente foram estabelecidos os tipos e os locais de ocorrência das descontinuidades

naturais possíveis de ocorrer numa placa combustível real: (1) falhas no interior de cada uma das

placas de revestimento; (2) falhas na interface núcleo de UO2/ revestimento aço inox 304; (3)

falhas na interface moldura aço inox 304/placas de revestimento aço inox 304. Na FIG. 69 é

mostrada a miniplaca combustível PE 01, com comprimento, largura e espessura iguais a 520,0

mm x 52,0 mm x 2,4 mm respectivamente, antes da usinagem dos refletores de referência. Pode-

se observar, visualmente, o contorno do núcleo de UO2/aço inox 304. Para se obter um padrão de

referência que representasse da forma mais real possível a situação em uma placa combustível,

retirou-se, por corte no equipamento Discoton, FIG. 70, uma peça de 45 mm de comprimento de

uma das extremidades da miniplaca combustível PE 01.

79

FIGURA 69. Miniplaca combustível PE 01 antes da usinagem dos refletores de referência: furos

de fundo plano e entalhes.

FIGURA 70. Discoton. Equipamento de corte.

Esta peça foi examinada por ultra-som utilizando-se dois cabeçotes, FIG. 71, com sapata plástica

de atraso de 6 mm de comprimento em frente ao cristal piezelétrico de diâmetro 6,35 mm,

fabricados pela Automation Industries e assim identificados: DTZ 57AB920 - 10 MHz e DTZ

57AB985 – 15 MHz. O objetivo desse exame inicial foi de determinar a presença de possíveis

falhas e o local de ocorrência das mesmas. Posteriormente, após a obtenção do padrão de

referência, foram estabelecidas condições do ensaio para maximizar a sensibilidade do mesmo.

80

FIGURA 71. Cabeçotes de ultra som com sapata de atraso (delay line transducer). Esquerda:

DTZ 57AB920 - 10 MHz; Direita: DTZ 57AB985 – 15 MHz.

Com este procedimento foi possível a identificação de regiões com falhas na interface moldura/

revestimento e regiões sem a presença dessas falhas, o que pode ser observado na FIG. 72 e na

FIG. 73. Na FIG. 72, o espaçamento entre os ecos referentes às reflexões de fundo correspondem

a um percurso do feixe sônico no material de 0,50 mm, indicando a presença de uma possível

descontinuidade no caminho do feixe sonoro, próxima à superfície da placa. Na FIG. 73, o

espaçamento entre os ecos referentes às reflexões de fundo correspondem a um percurso do feixe

sônico no material de 2,40 mm, igual à espessura da placa na região do exame, indicando uma

região, a princípio, sem descontinuidades detectáveis. A escala horizontal utilizada, no

equipamento de ultra-som para o exame, foi de 10 mm.

FIGURA 72. Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som correspondendo a uma uma

descontinuidade a 0,50 mm de profundidade na placa combustível.

81

FIGURA 73. Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som referentes à espessura da placa

combustível na região de exame.

3.2.2.2 Preparação de amostras metalográficas das regiões da miniplaca com e sem

descontinuidades

Após o exame por ultra-som, a peça foi seccionada em duas regiões distintas. Uma delas na

região onde se detectou a presença da descontinuidade próxima à superfície e a outra em uma

região isenta de descontinuidades. As amostras resultantes foram embutidas em baquelite e

identificadas como embutimentos B e A, respectivamente. Os cortes foram realizados no

equipamento de corte Discoton e os embutimentos no equipamento Struers LabPress 3, mostrado

na (FIG. 74). Após o embutimento, estas duas amostras foram atacadas quimicamente com nital

e polidas utilizando-se o equipamento de lixamento e polimento mostrado na (FIG. 75).

FIGURA 74. Equipamento para embutir amostras para exames metalográficos.

82

FIGURA 75. Equipamento para polir amostras metalográficas.

Após preparadas, as amostras foram examinadas no microscópio ótico LEITZ modelo

ORTHOLUX II, para o exame das regiões contendo descontinuidades. O exame também se

destinou a localizar, com precisão, as regiões de interface revestimento/moldura. Os resultados da

análise obtidos nesta fase foram utilizados para a elaboração do padrão de referência contendo

furos de fundo plano e rasgos.

3.3 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçotes de imersão

Antes da execução do ensaio por ultra-som, muitas vezes é vantajoso traçar o perfil do feixe

sonoro emitido pelo cabeçote. Isto permite, graficamente, uma melhor visualização da interação

feixe sonoro/descontinuidade e a identificação de regiões importantes do feixe, como a região

focal (região do feixe com maior sensibilidade para a detecção de descontinuidades) resultando

na determinação, com uma precisão maior, da localização, formato e dimensões das

descontinuidades presentes.

Neste trabalho, a inspeção por ultra-som das miniplacas combustíveis envolveu a utilização dos

dois cabeçotes com sapata plástica de atraso, mostrados na FIG. 71 e mais seis cabeçotes de

imersão, mostrados na FIG. 76. Os dois cabeçotes de contato foram fabricados pela Automation

Industries e são designados como DTZ 57AB 920, de 10 MHz e DTZ 57AB 985, de 15 MHz. O

comprimento das sapatas plásticas de atraso, colocadas na frente do cristal piezelétrico destes

83

dois cabeçotes é de 6 mm. A eficiência destes dois cabeçotes na determinação de falhas na

interface moldura/revestimento já foi comprovada, como mostrado na FIG. 72 e FIG. 73.

Os seis cabeçotes de imersão estão mostrados na (FIG. 76). São eles, a partir da parte superior e

da esquerda para a direita: (1) 1421 Karl Deutsh, 4 MHz, normal sem lente, diâmetro externo

excluindo a espessura da carcaça igual a 15 mm; (2) 1450 Karl Deutsh, 4 MHz, normal sem lente,

diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 7 mm; (3) 1514 Karl Deutsch, 4 MHz,

focalizado em linha, diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 15 mm; (4)

L10ML15 Krautkramer, 10 MHz, focalizado em linha, diâmetro externo excluindo a espessura da

carcaça igual a 8 mm; (5) SIJ 386, Automation Industries, 10 MHz, focalizado em ponto,

diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 9 mm; (6) DIZ 57A8919, Automation

Industries, 10 MHz, focalizado em ponto ou quase normal, diâmetro externo excluindo a

espessura da carcaça igual a 8 mm.

FIGURA 76. Fotografia dos seis cabeçotes de imersão utilizados nos experimentos.

Dos quatro cabeçotes focalizados, apenas o cabeçote 1514 Karl Deutsch, FIG. 76, parte superior,

terceiro da esquerda para a direita, possui uma lente de plexiglass transparente, colada ao seu

cristal, para obtenção do feixe sonoro focalizado em linha. A focalização em linha e em ponto

para os outros três cabeçotes na parte inferior da FIG. 76 é obtida curvando-se durante a

fabricação, incluindo técnicas de sinterização, os próprios cristais.

84

Tendo em vista a impossibilidade de se determinar matematicamente os raios de curvatura das

lentes e dos cristais destes cabeçotes, os mesmos foram determinados utilizando-se as lâminas de

medidas de raios de curvatura (Radius Gage Mitutoyo) mostradas na (FIG. 77). O valor do raio

de curvatura é lido sobre a lâmina que melhor se ajusta à curvatura.

FIGURA 77. Lâminas (Radius Gage Mitutoyo) para determinação dos raios de curvatura dos

cristais dos 4 cabeçotes de imersão focalizados ( 4º ao 6º na seqüência) mostrados na FIG. 76.

3.3.1 Procedimentos para traçar o perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote de imersão

utilizando o equipamento XYZ

Na FIG. 58 do item 2.10.14 - Traçado do perfil do feixe sonoro num tanque de imersão - é

apresentado um esquema do equipamento XYZ para executar o traçado do perfil do feixe sonoro

emitido por cabeçotes de ultra-som. Um equipamento similar foi construído e montado no

Laboratório de Ensaios Não Destrutivos do CDTN, conforme mostrado na (FIG. 78). Como já

mencionado, ele possibilita a obtenção do perfil do feixe sonoro de maneira mecânica e não por

método ótico, princípio de Huygens. Os procedimentos para obtenção do feixe sonoro também

estão descritos no item 2.10.14 da pesquisa bibliográfica. A seguir estão descritos estes

procedimentos, utilizando especificamente o equipamento XYZ da FIG. 78. Na FIG. 79

apresentam-se, de forma esquemática, as direções de varredura do cabeçote e a região focal dos

cabeçotes, onde deverão ser posicionadas as placas para a realização dos exames.

85

O cabeçote, preso a um suporte, é ajustado de tal modo que emita o feixe sonoro na direção Z

perpendicular ao refletor (esfera, broca ou arame) colocado no fundo do pequeno tanque de

acrílico (aquário) sobre a mesa XY. O feixe sonoro do cabeçote pode, assim, varrer o refletor nas

distancias X e Y e em diversas distâncias Z entre o cabeçote e o refletor.

A distância focal F (cabeçotes focalizados) ou o comprimento N do campo próximo (cabeçotes

normais) são obtidos quando se variam as coordenadas XYZ até se obter eco máximo

proveniente do refletor no fundo do aquário. Neste ponto, a distância Z, lida no relógio

comparador do traçador de altura, corresponde à distância focal F ou ao comprimento N do

campo próximo. Mais especificamente, o eco é maximizado movimentando-se o aquário nas

direções X e Y, através dos dois micrômetros X e Y que estão conectados à mesa XY através de

parafusos, até que o cabeçote emita o feixe sonoro exatamente no centro geométrico da esfera.

Neste ponto, garante-se que o eixo central do feixe sonoro está exatamente sobre o refletor. Com

o controle de ganho ajusta-se a altura do eco a 80% da altura da tela (fixar este valor de ganho

não o alterando mais). Este é o ponto 0 (zero) de origem. Então, movimenta-se o aquário na

direção +X até que o eco do refletor caia a 40% (metade de 80%) da altura da tela, registrando-se

as correspondentes distâncias +X lidas nos micrômetros. Retorna-se o aquário até o ponto 0

(zero) e a altura do eco fica novamente a 80% da altura da tela. Movimenta-se o aquário na

direção –X até que o eco do refletor caia a 40% da altura da tela, registrando-se as

correspondentes distâncias -X lidas nos micrômetros. No eixo Z executam-se os mesmos

movimentos, maximizando-se o eco no centro geométrico da esfera e movimentando-se nos

sentidos +Z e –Z e lendo-se no relógio comparador a distância em que este eco máximo

permaneceu em 80% da altura da tela sem começar a decrescer.

86

FIGURA 78. Equipamento XYZ para traçar o perfil de feixes ultra-sônicos de cabeçotes de

imersão. Ver esquema na (FIG. 58).

FIGURA 79. Movimentação do cabeçote nas coordenadas XYZ sobre os alvos refletores (esfera,

pino ou arame) para traçar o formato do volume focal ultra-sônico em cujo comprimento ∆Z

deverão ser inseridas placas combustível para serem inspecionadas.

Portanto, com o equipamento XYZ da FIG. 78, determinam-se os seguintes parâmetros:

= N → Comprimento do campo próximo (cabeçotes planos ou normais)

Z1

= F → Distância focal (cabeçotes focalizados)

87

∆Z = Z2 - Z1 = Comprimento focal

Dfx6 = -X – (+X) = Diâmetro focal de valor médio na direção X

Dfy6 = -Y – (+Y) = Diâmetro focal de valor médio na direção Y

As miniplacas combustíveis, conforme mostrado na FIG. 79, possuindo uma espessura fina de

2,40 mm, serão colocadas no interior dos limites do comprimento ∆Z do foco do feixe sonoro no

teste ultra-sônico por imersão.

3.3.2 Estabelecimento dos critérios para seleção dos diâmetros das esferas de aço usadas

como refletores no traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote de imersão

Os procedimentos adotados para se estabelecer os diâmetros de 5 mm e 12,7 mm como referência

para os alvos refletores (esferas de aço) para se determinar o formato do feixe sonoro ultra-sônico

de cabeçotes num tanque de imersão estão descritos a seguir.

Foram feitas diversas tentativas sem sucesso, de se usar, como alvo, uma esfera de aço de caneta

esferográfica (diâmetro ≈ 0,030” a 0,050” ou, respectivamente, 0,76 mm a 1,27 mm. Como a

esfera é muito pequena, houve a necessidade de se estabelecer no equipamento uma sensitividade

(ganho) muito alto para possibilitar a sua detecção. Isto, além de gerar muito ruído, fez com que

os ecos provenientes da esfera se comportassem de maneira irregular durante a varredura da

mesma nas direções XYZ. Assim, não foi possível determinar, com precisão, o perfil ou formato

do foco do feixe sonoro, sendo que o próprio comprimento focal foi visto, na tela do

equipamento, maior do que o real (20 mm ao invés dos reais 15 mm), principalmente com o

cabeçote normal plano 1450 – Karl Deutsch – 4 MHz e o cabeçote 1421 – Karl Deutsch – 4

MHz, sendo que este último, por ter um diâmetro maior, detectou também o suporte da esfera e o

fundo do aquário com alturas de ecos muito maiores do que a altura do eco proveniente da esfera.

Há um relato de um experimento executado com cabeçotes esfericamente focalizados (formato

do foco é um círculo) pelo AEC Hanford Laboratories usando um alvo esfera de caneta

esferográfica diâmetro = 0,029” (0,74 mm) e um outro experimento da Automation Industries

Inc. usando um alvo esfera de diâmetro = 0,039” (1,00 mm) e cabeçote de cristal sulfato de lítio

88

esfericamente focalizado, freqüência = 15 MHz ; diâmetro do cristal = 3/16” = 4,76 mm ;

curvatura da lente = 1 radiano (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,

ULTRASONIC TESTING, 1967, p. 6-6 e 6-8).

Um outro relato de teste de imersão também não informa os procedimentos a serem adotados

para se estabelecer as dimensões e o formato dos alvos refletores. Menciona apenas uma pequena

esfera como alvo refletor, sem fornecer as dimensões desta esfera (BERKE, M., 1985, Chapter 3,

p. 4 e 5)

Na pesquisa bibliográfica, item 2.10.3.1, cita-se uma publicação mencionando o uso de um arame

de face plana como alvo refletor, afirmando que a precisão deste método é dependente do crítico

alinhamento perpendicular deste alvo em relação ao eixo acústico varrendo-o no plano X-Y.

Devido a isto, os dados resultantes representam uma média das varreduras em linha ao invés de

varreduras ponto a ponto da face plana ou seção transversal do arame. Nesta mesma publicação, é

apresentado um exemplo com cabeçote de 10 MHz – diâmetro do cristal 1/2” (12,7 mm) e que

apenas um segmento de 3,2 mm deste cristal (quarta parte de 12, 7 mm) recebe de volta o som

refletido pela esfera alvo, cuja superfície curva especular reflete o som incidente em várias

direções, retornando pouco som ou pouca energia ao cristal do cabeçote. No final há um

experimento com um cabeçote de diâmetro 3/8” (9,52 mm), posicionado a uma distância de 15,2

mm de um alvo esfera. Nos três casos, esta publicação não fornece as dimensões dos arames e

das esferas utilizados como alvos refletores e nem os procedimentos para estabelecê-los

(MANSOUR, T. M., 1979, p.50 a 52).

Há ainda, menção de execução de curva amplitude/distância utilizando uma esfera de diâmetro

1/2" (12,70 mm) imersa em água (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,

ULTRASONIC TESTING, 1967, p. 5-10).

As esferas utilizadas como alvos refletores devem ser de precisão, particularmente quando se

utilizam cabeçotes focalizados. No caso de cabeçotes focalizados, o diâmetro da esfera deve ser

tão pequeno quanto possível. Como a esfera tem superfície côncava especular, nem toda a sua

superfície reflete de volta ao cabeçote o som incidente, que é refletido em várias direções,

89

retornando apenas uma pequena porção do feixe sonoro ao cabeçote. O tamanho da superfície

refletora efetiva da esfera é bem pequeno, ou seja, menor que 1/4 λ, na freqüência de vibração do

cristal. Por exemplo, no teste de imersão, um cabeçote focalizado de 4 MHz possui um

comprimento de onda λ = v/f = 1,48 km/s / 4 MHz = 0,37 mm. Um quarto deste comprimento de

onda = 0,0925 mm = 92,5 µm que é o tamanho da superfície refletora efetiva da esfera. Para

cabeçotes focalizados de maior freqüência, por exemplo, (a) 10 MHz, λ = v/f = 1,48/10 = 0,148

mm, λ/4 = 0,037 mm = 37 µm é o tamanho da superfície refletora efetiva da esfera e (b) 15 MHz,

λ = v/f = 1,48/15 = 0,0986 mm, λ/4 = 0,025 mm = 25 µm é o tamanho da superfície refletora

efetiva da esfera. Este tamanho reduzidíssimo, menor que λ/4 , da superfície refletora efetiva da

esfera, para os cabeçotes focalizados, evita distorção de freqüência e influência indevida do alvo

na medida do feixe sonoro. Por isso, como já mencionado, as esferas têm que ser de precisão.

Quanto aos cabeçotes normais ou planos de diâmetros maiores, um alvo refletor de esfera pode

não oferecer amplitude de sinal adequada para executar o registro ou traçar o perfil do feixe

sonoro. Neste caso, utiliza-se um pino de face plana, tão pequeno quanto possível, desde que o

cabeçote se mantenha perpendicular à superfície plana durante a aquisição de dados. Com os

refletores em forma de esfera obtém-se melhores resultados porque eles eliminam a dificuldade

de se manter o cabeçote perpendicular à face plana do pino. Os refletores se classificam de dois

modos: (a) pequenos quando comparados com o tamanho do feixe sonoro que se está medindo

(b) aproximada ou grosseiramente iguais, em tamanho, às reais descontinuidades que se espera

detectar. Como exemplo, um refletor tipo pino circular com área plana de seção transversal

correspondente a 1/8 do diâmetro do cristal utilizado para testar cabeçotes que possuem a

finalidade de detectar grandes imperfeições. Exemplo: Diâmetro do cristal = 1/2" = 12,70 mm;

Diâmetro do pino = 1/8 de 12,70 mm = 1,60 mm. A regra:

Selecionar um refletor tão pequeno quanto possível e que ainda produza níveis de sinal

adequados para registrar ou executar o traçado do perfil do feixe sonoro (GENERAL

DYNAMICS, 1967, p. 6-7)

é a conclusão do texto (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, ULTRASONIC

TESTING, 1967, p. 6-6 a 6-12)

90

Os fatos expostos justificam a decisão de se adotar na metodologia os valores de 5,00 mm e 12,70

mm (1/2”) para os diâmetros dos alvos refletores de esferas de aço com a finalidade de traçar o

formato dos feixes sonoros dos cabeçotes de imersão usados neste trabalho.

Então, utilizando o equipamento XYZ da FIG. 78 com as esferas de diâmetros 5,00 mm e 12,70

mm, foram traçados os perfis dos feixes sonoros dos seis cabeçotes, mostrados na FIG. 76,

obedecendo aos procedimentos elencados no item 3.3.1. À exceção do cabeçote normal de

imersão 1421 Karl Deutsch, cujo feixe sonoro foi determinado apenas com o diâmetro de 12,70

mm da esfera de aço, para cada cabeçote foram traçados dois formatos de feixes sonoros. Um

formato de feixe sonoro obtido com o alvo refletor esfera de diâmetro 5,00 mm e o outro com a

esfera de diâmetro 12,70 mm.

3.3.3 Regra empírica para determinação aproximada do diâmetro efetivo Deff do cristal do

cabeçote de ultra-som quando não se conhece o diâmetro real D0

Após conseguir determinar o ponto do alvo refletor no qual a intensidade do eco é máxima,

desloca-se a seguir o cabeçote para ambos os lados, ou seja, nas direções –X/+X e –Y/+Y, até

que o eco se reduza à metade da sua altura máxima adotada, de 80% da altura da tela. Estes

pontos correspondem a uma redução de 6 dBs na intensidade do eco. A distância entre estas duas

posições é denominada “Diâmetro de Valor Médio”.

Os valores Dfx6 e Dfy6 são denominados diâmetros focais de valor médio. O diâmetro D0 do

cristal, se não fornecido em catálogo de cabeçotes ou na falta destes, não pode ser determinado

medindo-se externamente com um paquímetro ou micrômero, pois o cristal, geralmente, não é

visto externamente. Na prática, devido a observação no traçado de perfis de feixes sonoros de

cabeçotes ultra-sônicos, chegou-se a um cálculo aproximado empírico do diâmetro D0 ou D do

cristal, confirmado também nos catálogos de cabeçotes dos fabricantes. Para isto, multiplica-se o

fator aproximado 0,67 pelo diâmetro externo do cabeçote (excluindo a espessura da carcaça). O

diâmetro efetivo do cristal Deff, que determina a área acusticamente efetiva do mesmo, é menor

que o diâmetro real D0 do cristal, pois o cristal num cabeçote é amortecido lateralmente devido ao

modo como ele é preso ou colado, fazendo com que a superfície inteira do mesmo não oscile com

91

a mesma amplitude. A amplitude da oscilação cai em direção à borda do cristal. O Deff de um

cristal circular é calculado conforme a seguinte equação (KRAUTKRÄMER GMBH –

SMITHKLINE COMPANY, 1979, item 6 ).

eeff f

cND .4= (29)

ou de modo mais simples,

Deff ≈ 0,97 x D0 (30)

sendo:

N = Comprimento do campo próximo

c = velocidade do som no cristal

fe = freqüência do eco

Pela observação empírica, o procedimento para se determinar o diâmetro efetivo do cristal é

medir com o paquímetro, o Dexterno = diâmetro externo (excluindo a espessura da carcaça) do

cabeçote. Então:

D0 = Dexterno (excluindo a espessura da carcaça) x 0,67

D0 é o diâmetro do cristal piezelétrico e pode ser encontrado nos catálogos (se houver) de

cabeçotes. Depois de se obter D0 calcula-se Deff pela equação ( 30).

3.4 Análise dos fatores de transmissão e reflexão para os feixes ultra-sônicos dos cabeçotes

utilizados no exame por ultra som da interface combustível/revestimento com e sem falha

de ligação.

Em condições ideais, ou seja, sem quaisquer perdas inerentes à rugosidade da superfície e

atenuação sonora devido a diferentes tamanhos de grãos na estrutura, a quantidade de energia que

92

retorna ao cabeçote de ultra-som pode ser extremamente pequena, devido às diferenças nas

propriedades acústicas dos materiais envolvidos. Assim, para a realização deste trabalho,

realizou-se uma análise inicial para avaliar as perdas sonoras possíveis de ocorrer durante o

exame de uma placa combustível, considerando-se a realização de ensaios por imersão e por

contato e a existência ou não de descontinuidades nas interfaces no interior da mesma.

Nas FIG. 80 a 85 são mostrados os pequenos retornos ( 0,92% a 1,44%) das ondas sonoras ao

cabeçote após penetrar na miniplaca combustível e incidir nas diversas interfaces apresentadas.

Para o cálculo dos fatores de reflexão R e transmissão foram utilizadas as equações (23) e (24).

Nas FIG. 80 e 81 são mostrados, respectivamente, o exame ultra-sônico por imersão e por contato

de uma miniplaca combustível sem falha de ligação entre núcleo combustível/revestimento.

Observa-se, respectivamente, que apenas 1,27% e 0,92% da energia incidente retornam ao

cabeçote. Nas FIG. 82 e 83 são mostradas, respectivamente, a inspeção ultra-sônica por imersão e

contato de uma miniplaca combustível com falhas de ligação núcleo combustível/revestimento

inferior. Observa-se, respectivamente, que apenas 1,44% e 0,92% da energia incidente retornam

ao cabeçote. Nas FIG. 84 e 85 são apresentados, respectivamente, a inspeção ultra-sônica por

imersão e contato de uma miniplaca combustível e os correspondentes descolamentos núcleo

combustível/revestimento superior. Observa-se, respectivamente, que apenas 1,44% e 0,92% da

energia incidente 100% retornam ao cabeçote.

Esta análise é importante para subsidiar o planejamento dos exames por ultra-som e a avaliação

do nível de sensibilidade possível de ser obtido no ensaio.

93

88%

1,27%

9,29%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

ÁGUA ÁGUA

12%

12%

12%

10,56%

10,56%

1,44%

ÁGUA ÁGUA

100%

CABEÇOTE DE IMERSÃOULTRA-SOM

REVESTIMENTO

REVESTIMENTO

NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)

PLA

CA

CO

MB

US

TÍV

EL

PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)


FIGURA 80. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas

transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra-som por imersão numa miniplaca combustível

sem falha na ligação combustível/revestimento.

16%

0,92%

8,5%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

84%

9,6%

9,6%

9,6%

9,6%

100%

ULTRA-SOMCABEÇOTE NORMAL DE CONTATO

COM SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE TRANSDUCER)

REVESTIMENTO

REVESTIMENTO


PLAC

A C

OM

BUST

ÍVEL



ÓLEO ACOPLANTE

9,6%

1,1%

62,5%

74,4%

PLEX

IGLA

SS

AR

SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE)


transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra-som por contato numa miniplaca combustível

sem falha na ligação combustível/revestimento.

94

88%

1,44%

10,56%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

ÁGUA ÁGUA

12%

12%12%

ÁGUA ÁGUA

100%


REVESTIMENTO

REVESTIMENTO


PLA

CA

CO

MBU

STÍV

EL


AR(DESCOLAMENTO)

12%


transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca combustível

com falha na ligação combustível/revestimento inferior.

16%

0,92%

8,5%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

84%

9,6%9,6%

100%



REVESTIMENTO

REVESTIMENTO


PLA

CA

CO

MBU

STÍV

EL


ÓLEO ACOPLANTE

9,6%

1,1%

62,5%

74,4%

PLE

XIG

LASS

AR


9,6%

AR(DESCOLAMENTO)


transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca combustível

com falha na ligação combustível/revestimento inferior

95

88%

1,44%

10,56%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

ÁGUA ÁGUA

12%

ÁGUA ÁGUA

100%


REVESTIMENTO

REVESTIMENTO


PLA

CA

CO

MB

US

TÍV

EL


AR(DESCOLAMENTO)

12%


transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca combustível

com falha na ligação combustível/revestimento superior.

16%

0,92%

8,5%

UO2 / INOX

AÇO INOX 304

AÇO INOX 304

84%

100%



REVESTIMENTO

REVESTIMENTO


PLA

CA

CO

MB

US

TÍV

EL


ÓLEO ACOPLANTE

9,6%

1,1%

62,5%

74,4%

PLE

XIG

LAS

S

AR


9,6%

AR(DESCOLAMENTO)


transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca combustível

com falha na ligação combustível/revestimento superior.

96

4 RESULTADOS

4.1 Placa combustível

A placa combustível fabricada para a realização dos experimentos pode ser observada na FIG. 86.

FIGURA 86. Miniplaca obtida para a realização dos experimentos identificada como PE 01.

Na FIG. 87 é apresentada a radiografia da placa PE 01, mostrando o contorno ovalado do núcleo

após laminação da miniplaca combustível até atingir a espessura final de 2,40mm.

FIGURA 87. Radiografia mostrando o contorno ovalado do núcleo UO2/aço inox 304 da

miniplaca combustível PE 01 pós-laminação. Não foi detectada a falha na ligação (bonding

failure) combustível/revestimento dentro do contorno ovalado.

97

Esta radiografia foi executada com o tubo de Raios-X de tensão máxima 300 KVp, FIG. 88,

ajustado com os seguintes parâmetros: tensão 150 KVp, corrente 4 mA ; tempo de exposição 3

minutos; distância fonte-filme 70 cm. A radiografia não detecta as falhas de ligação (bonding

failure) revestimento/moldura e revestimento/cerne combustível.

FIGURA 88. Tubo de raios-X de tensão máxima 300 Kvp

4.2 Análises das amostras metalográficas retiradas da placa combustível PE 01

4.2.1 Amostras metalográficas

As amostras metalográficas obtidas a partir da placa PE 01, selecionadas após o ensaio ultra-

sônico inicial, denominadas embutimento A e embutimento B, podem ser observadas na FIG 89.

No embutimento A, FIG. 89 (a), a amostra à esquerda (amostra à direita é descartada porque não

é a amostra da miniplaca combustível PE 01) não apresenta qualquer falha na ligação visível na

amostra. No embutimento B, FIG. 89 (b), a amostra apresenta falhas na ligação, visíveis a olho

nu.

O Embutimento A e o embutimento B foram examinados no microscópio ORTHOLUX II POL

BK LEITZ WESTLAR GERMANY, mostrado na FIG. 90, com a finalidade de se medir a

espesssura do revestimento da placa onde ocorreu a falha de ligação moldura/revestimento,

visível a olho nu.

98

(a) (b)

Figura 89. Embutimento A, não apresentando falha na ligação moldura/revestimento visível a

olho nu (a) e embutimento B, apresentando falha na interface moldura/revestimento visível a

olho nu (b).

FIGURA 90. Microscópio ORTHOLUX II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY.

Durante o exame, realizado com um aumento de 100 vezes, foram identificadas “falhas de

ligação” que não estavam visíveis a olho nu e nem foram detectadas no exame inicial por ultra-

som, como mostrado na (FIG. 73). A posição dessas falhas nas amostras está representada,

esquematicamente, pelas linhas pontilhadas nas FIG. 91 e 92, relativas aos embutimentos A e B

da FIG. 89. A linha cheia, na FIG. 92, corresponde á falha visível a olho nu e não detectada por

ultra-som.

99

"FALHA NA LIGAÇÃO" NÃO VISÍVEL A OLHO NUE NEM DETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM.DETECTADA NO MICROSCÓPIO - AUMENTO 100x

FIGURA 91. Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento A.

FALHA NA LIGAÇÃO VISÍVEL A OLHO NUDETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM

"FALHA NA LIGAÇÃO" NÃO VISÍVEL A OLHO NUE NEM DETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM.DETECTADA NO MICROSCÓPIO - AUMENTO 100x

FIGURA 92. Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento B.

Os revestimentos em ambos os embutimentos, após o exame ao microscópio, foram localizados e

identificados da seguinte forma: revestimentos 1A e 2A, no embutimento A e revestimentos 1B e

2B, no embutimento B. Esta identificação também pode ser observada nas figuras esquemáticas

das amostras.

4.2.2 Medição da espessuras dos revestimentos nos embutimentos A e B

A TAB. 4 apresenta as medidas de espessura dos revestimentos 1A e 2A, do embutimento A e

dos revestimentos 1B e 2B, do embutimento B, feitas utilizando-se o microscópio ORTHOLUX

II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY, nas seguintes condições:

100

- Aumento 100x

- Padrão de vidro com escala em traços utilizados para determinação da calibração. Escala padrão

de medição Carl Zeiss 5 + 100/100mm – West Germany – 1 divisão = 0,01 mm

- Calibração da escala vertical (Eixo Y) mostrou 7 divisões = 0,08 mm (escala da lente do

microscópio verificada durante a calibração).

TABELA 4. Resultados das medições para cada uma das quatro espessuras de revestimento.

Revestimento

Condições

Medida

nº 1

Medida

nº 2

Medida

nº 3

Medida

nº 4

Medida

nº 5

Medida

nº 6

Medida

nº 7

Medida

nº 8

Medida

nº 9

Medida

nº 10

1A

Nº de divisões

(7 div. = 0,08 mm) 42 41 42 42 42 41 41 42 44 43

Espessura

(mm) 0,48 0,47 0,48 0,48 0,48 0,47 0,47 0,48 0,50 0,49

2A

Nº de divisões

(7 div. = 0,08 mm) 41 42 42 41 42 41 42 42 41 41

Espessura

(mm) 0,47 0,48 0,48 0,47 0,48 0,47 0,48 0,48 0,47 0,47

1B

Nº de divisões

(7 div. = 0,08 mm) 58 54 53 48 48 45 46 45 45 47

Espessura

(mm) 0,66 0,62 0,60 0,55 0,55 0,51 0,52 0,51 0,51 0,54

2B

Nº de divisões

(7 div. = 0,08 mm) 55 52 47 44 41 43 43 45 46 45

Espessura

(mm 0,63 0,59 0,54 0,50 0,47 0,49 0,49 0,51 0,52 0,51

As medidas apresentadas na TAB. 4 pertencem, em estatística, ao quadro de variáveis aleatórias

contínuas, já que envolvem mensuração e não ao quadro de variáveis aleatórias discretas, que

envolvem contagens para obtenção de resultados. Nos cálculos estatísticos para variável aleatória

contínua, foram utilizados os conceitos de distribuição normal N (µ, σ) caracterizada pela média

µ e desvio padrão σ, estimativas de intervalos de confiança 1 – α e risco α (nível de

significância) igual a 0,05 (5%), que é o risco que um experimentador está disposto a correr de

que o intervalo de confiança 1 – α não conterá entre seus limites o verdadeiro valor do parâmetro.

O valor da média para cada um dos revestimentos analisados e o intervalo de confiança para a

média de cada um dos revestimentos, 1A, 2A, 1B e 2B, utilizando a distribuição t de Student são

apresentados na TAB. 5. A determinação destes valores está no Apêndice D.

101

TABELA 5. Resultados obtidos para a média e o intervalo de confiança da média para a espessura ds revestimentos 1A, 1B, 2A e 2B.

Revestimento Média (µ) Intervalo de Confiança

1A 0,48 0,47 ≤ µ ≤ 0,49

2A 0,48 0,48 ≤ µ ≤ 0,50

1B 0,56 0,52 ≤ µ ≤ 0,59

2B 0,53 0,49 ≤ µ ≤ 0,56

Baseado nos resultados obtidos para as espessuras dos revestimentos e pelo tratamento estatístico

realizado, considerou-se razoável a adoção do valor nominal de 0,50 mm para a média das

espessuras com uma tolerância de 0,02 mm. Então, µ = 0,50 ± 0,02 mm. Assim, a espessura de

cada placa de revestimento de aço inoxidável 304 foi considerada como 0,50 +

0,02 mm. A

espessura nominal total da placa combustível, moldura mais duas placas de revestimento, é de

2,40 mm.

O desenho esquemático da placa está representado na FIG. 93 e foi utilizado como referência

para o posicionamento dos refletores de referência na placa, para que a mesma fosse utilizada

como padrão de referência.

REVESTIMENTO (AÇO INOXIDÁVEL)

MOLDURA (AÇO INOXIDÁVEL)

REVESTIMENTO (AÇO INOXIDÁVEL)

0,50 ± 0,02

0,50 ± 0,02

1,40 ± 0,02

FIGURA 93. Espessuras dos componentes da miniplaca combustível PE 01.

102

4.3 Localização e dimensões dos refletores de referência furos de fundo plano e entalhes

sobre a miniplaca PE 01

Foram usinados na placa PE 01, por eletro-erosão, um total de 30 refletores, sendo doze furos de

fundo plano e dezoito entalhes. Os diâmetros dos furos de fundo plano são: furos nº 1, 2 e 6,

diâmetro 2,50 mm; furos nº 3, 7 e 10, diâmetro 3,00 mm; furos nº 5 e 9, diâmetro 2,00 mm; furos

nº 4, 8 e 11, diâmetro 4,500 mm e furo nº 12, diâmetro 5,00 mm. A posição dos furos e entalhes

na placa PE 01, bem como a profundidade dos mesmos pode ser observada de forma esquemática

na FIG. 94 e na FIG. 95. As dimensões dos entalhes estão apresentadas na FIG. 95. As duas

superfícies da placa foram identificadas como A e B, sendo que superfície A corresponde à

superfície sobre a qual estão indicados os números referentes a cada um dos refletores de

referência presentes na mesma.

0 X

YZ

1 2 3 4 5 6 7 8

9 10 11 12

13 14 15 16 17 18 19 20 21

22 23 24 25 26 27 28 29 30

SUPERFÍCIEA

FIGURA 94. Esquema da numeração 1 a 30 dos furos de fundo plano e entalhes sobre a

superfície A da miniplaca combustível PE 01. Ver quadro na FIG. 115.

MOLDURA

REVESTIMENTO

0,50 ± 0,02

0,50 ± 0,02

1,40 ± 0,02

CABEÇOTE(ULTRA-SOM)

FUROS 1 a 4

FUROS 5 a 8

FUROS 9 a 12

EN

TALH

ES

13

a 1

5 (L

argu

ra 0

,10)

22 a

24

(Lar

gura

0,2

0)

EN

TALH

ES

16

a 1

8 (L

argu

ra 0

,10)

25 a

27

(Lar

gura

0,2

0)

EN

TALH

ES

19

a 2

1 (L

argu

ra 0

,10)

28 a

30

(Lar

gura

0,2

0)

SUPERFÍCIE A

SUPERFÍCIE B

FIGURA 95. Esquema mostrando o corte transversal, no sentido da espessura, da localização,

diâmetros, profundidades, comprimentos e larguras dos furos de fundo plano e entalhes sobre a

miniplaca combustível PE 01 da FIG. 94. Ver quadro na FIG.115..

103

Na FIG. 96 é apresentada a foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e

entalhes usinados sobre a superfície B. Na FIG. 97 é mostrada a foto da miniplaca combustível

com numeração 1 a 30 na superfície A, identificando a posição dos furos e entalhes. Na FIG. 89

é mostrado esquema da numeração 1 a 30 dos furos e entalhes sobre a superfície A da miniplaca

combustível.

FIGURA 96. Foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e entalhes

usinados pela superfície B.

FIGURA 97. Numeração 1 a 30 na superfície A da miniplaca combustível PE 01 identificando os

furos de fundo plano e os entalhes. Ver quadro na FIG. 115.

As distâncias a partir da superfície A da placa PE 01 até os fundos dos furos de fundo plano e

fundos dos entalhes, ou seja, comprimento do percurso do feixe sonoro desde a superfície A da

miniplaca combustível até os fundos dos furos e entalhes foi designada pela letra A. Como

mostrado na FIG. 95, os valores de A são 0,50 mm; 1,90 mm; 0,40 mm; 2,15 mm, 1,20 mm e

0,25 mm.

104

4.4 Caracterização dos perfis dos feixes ultra-sônicos dos cabeçotes de imersão com alvo de

esferas de 5,00 mm e 12,70 mm

Na FIG. 20, item 2.10.3 da pesquisa bibliográfica, é apresentada a fotografia do feixe sonoro com

seu lobo central e lobos laterais. O lobo central, maior pressão acústica, também define o menor

diâmetro focal LD (também chamado limite de difração ou Airy disk of the first order) que se

pode obter. Na FIG. 21 é ilustrado o Princípio de Huygens; na FIG. 22 são mostradas as pequenas

ondas “wavelets” saindo das “aberturas” do cristal do cabeçote e a resultante é onda plana e,

finalmente, na FIG. 24, item 2.10.4 – Difração – é mostrada a difração em aberturas. No

Apêndice C – Fabricação e teste de lentes acústicas - e nos onze quadros nas FIG. 98 a 108, é

apresentado o menor diâmetro focal DL que é calculado pela equação rFDL λ22,1= , onde λ =

comprimento de onda na água; F = distância focal; r = raio de abertura da lente. Num teste por

imersão, um cabeçote focalizado de freqüência f = 10 MHz emite um feixe sonoro na água , Vágua

= 1,48 km/s, cujo comprimento de onda mmfVágua 148,01048,1 ===λ . Sendo a distância

focal F = 25 mm na água, e o raio de abertura da lente r =13 mm, tem-se

mmDL 35,01325.148,0.22,1 == . Este é o menor diâmetro focal que pode ser obtido. Quando o

cabeçote possui baixa freqüência igual a 1 MHz, o comprimento de onda

mmfVágua 48,1148,1 ===λ , então para r =13 mm e F = 25 mm, tem-se

mmDL 5,31325.48,1.22,1 == . Observa-se que em cabeçote com freqüência baixa, igual a 1

MHz, o menor diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura

igual a 13 mm em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande, tornando difícil a

detecção de pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor

diâmetro focal restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências.

Nos onze quadros das FIG. 98 a 108 são apresentados, ainda, os formatos dos feixes sonoros dos

seis cabeçotes de imersão utilizados neste trabalho e outras características relacionadas ao cristal

do cabeçote, lentes acústicas, menor diâmetro focal DL (limite de difração) e fatores de

transmissão e reflexão (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING,

1991,Volume 7, Seção 8, Part 9, p. 261).

105

EPOCH II Aparelho

Panametrics

100 mm Escala

Refletor de

Esfera φ = referência

12,70 mm (1/2”)

(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)

Ganho

47,8 dB

D1 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1

Eco máx. do centro geométri-

co da esfera a

80% altu-ra da tela

48

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

58

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

10

-X (mm)

Determi-nado com o cabeçote na distân-

cia Z2

1,625

+X (mm)


cia Z2

1,50

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

3,125

-Y (mm)

Determi- nado com o cabeçote na distân-

cia Z2

1,50

+Y (mm)


cia Z2

1,95

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y

Deternina-do com o cabeçote na distân-

cia Z2

|-Y| + |+Y|

3,15

•

Cabeçote

1421 Karl Deutsch

4 MHz Normal

Sem lente Imersão

•Dimensões

do cabeçote

Dexterno (excluindo a espessura da

carcaça) 15 mm

D0≈0,67Dext.

10 mm

Deff≈0,97D0 9,50 mm

•Notações

*

D0 =Diâmetro do cristal

N = compri-

mento do campo

próximo


*Valores for-necidos nos catálogos de

cabeçotes

(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) - Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos

Teoria Prática

12 4VfDN eff=

= 61 → 61 Z2 = 58 V1 = velocidade do ultra som na água

( )211 VVRF c −= = --- → --- --- V2 = velocidade do ultra som na lente

Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= → --- --- 3,125 3,15 F = comprimento focal na água

Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t = 0 efetivamente para

t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar

de existir valor real > 0 para t) ( )2

21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente

( ) ( )2

122

12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = r2 = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass

22

2 TF

DGP λπ

=

Z2 = impedância acústica material lente → --- --- GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

20 40 60 80 100

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

48 58

Z1 Z2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

(Dfx6 + Dfy6)/2

FIGURA 98. Perfil feixe/características 1421 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.

106

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


5 mm


Ganho

50,2 dB

D2 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

13,50

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

16,50

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

4,00

-X (mm)


cia Z2

1,25

+X (mm)


cia Z2

1,25

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

2,50

-Y (mm)


cia Z2

1,25

+Y (mm)


cia Z2

1,25

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

2,50

•

Cabeçote

1450 Karl Deutsch

4 MHz Normal

Sem lente Imersão

•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 7mm

D0≈0,67Dext.

4,70 mm

Deff≈0,97D0 4,50 mm

•Notações

*


N = compri-

mento do campo

próximo



cabeçotes

(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos

Teoria Prática

12 4VfDN eff=

= 13,65 → 13,65 Z1 =13,50 V1 = velocidade do ultra som na água


Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= ----------- -- -- 2,50 2,50 F = comprimento focal na água

Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t = 0 efetivamente para




( ) ( )2

122

12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass

22

2 TF

DGP λπ

=


%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 20 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

13.5 16.5

Z1 Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

FIGURA 99. Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4MHz – Esfera 5 mm.

107

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


12,70 mm (1/2”)


Ganho

41,70 dB

D3 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

12

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

16

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

4

-X (mm)


cia Z2

1,25

+X (mm)


cia Z2

1,25

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

2,50

-Y (mm)


cia Z2

1,00

+Y (mm)


cia Z2

1,00

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

2,00

•

Cabeçote

1450 Karl Deutsch

4 MHz Normal

Sem lente Imersão

•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 7 mm

D0≈0,67Dext.

4,70 mm

Deff≈0,97D0 4,50 mm

•Notações

*


N = compri-

mento do campo

próximo



cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=

= 13,65 → 13,65 Z1 =12 V1 = velocidade do ultra som na água


Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= → -- -- 2,50 2,00 F = comprimento focal na água

Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para

t =espessura da lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar



( ) ( )2

122

12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass

22

2 TF

DGP λπ

=


%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 20 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

12 16

Z1 Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

FIGURA 100. Perfil feixe/características1450 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.

108

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


12,70 mm (1/2”)


Ganho

38,3 dBs

D4 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

19,50

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

21,50

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

2

-X (mm)


cia Z2

0,75

+X (mm)


cia Z2

0,75

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

1,50

-Y (mm)


cia Z2

3,75

+Y (mm)


cia Z2

1,625

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

5,375

•1514

Cabeçote

Karl Deutsch 4 MHz

Focalizado em linha

(cristal curvo) Imersão

•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 15 mm

D0≈0,67Dext.

10 mm (Visível atra-vés da prote-ção plástica transparente

curva)

Deff≈0,97D0 9,50 mm

•NotaçõesD0 =Diâmetro

*

do cristal N = compri-

mento do campo

próximo F = distância

focal *Valores for-necidos nos catálogos de

cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=

λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água

( )211 VVRF c −= = 20 → 20,00 Z1 = 19,50 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.37x(20 e 19,50)/7,50 1,20 DL =1,17 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,50 Rc = 10 (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 7,50 Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122

12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal

DL = limite de difração ou menor diâmetro

22

2 TF

DGP λπ

= → (F = 19,50) 24,44 21,10 T = coeficiente de transmissão

R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente

: O cristal curvo é sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água

GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

19.5

Z1 Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

21.5

FIGURA 101. Perfil feixe/características1514 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.

109

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


5 mm


Ganho

44,2

D5 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

19

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

21

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

2

-X (mm)


cia Z2

0,45

+X (mm)


cia Z2

0,45

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

0,90

-Y (mm)


cia Z2

4,125

+Y (mm)


cia Z2

1,25

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

5,375

•1514

Cabeçote

Karl Deutsch 4 MHz

Focalizado em linha


•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 15 mm

D0≈0,67Dext.

10 mm (Visível atra-vés da prote-ção plástica transparente

curva)

Deff≈0,97D0 9,50 mm


*


mento do campo


focal *Valores for-necidos nos catálogos de

cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=

λ = comprimento de onda na água = Z2 → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água

( )211 VVRF c −= =20 → 20,00 Z2 = 21,00 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.37x(20 e 19)/7,50 1,20 DL = 1,14 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,90 Rc = 10 (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 7,50 Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para


de existir valor real > 0 para t). ( )2


( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ

= (F=19) → 25,08 21,65 T = coeficiente de transmissão

R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20,00 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente


GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

19

Z1 Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

21

FIGURA 102. Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch - 4MHz –Esfera 5 mm.

110

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


5 mm


Ganho

50,5 dB

D6 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

14

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

17

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

2

-X (mm)


cia Z2

0,25

+X (mm)


cia Z2

0,25

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

0,50

-Y (mm)


cia Z2

1,25

+Y (mm)


cia Z2

1,55

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

2,80 •

Cabeçote

L10ML15 10 MHz

Focalizado em linha


•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 8 mm

D0≈0,63Dext.

5,0 mm

Deff≈0,97D0 4,85 mm

•Notações

*

D0 =Diâmetro do cristal 5,0 mm

N = compri-mento do

campo próximo

--- F = distância

focal 15 mm


cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=


( )211 VVRF c −= = 15 → 15 Z2 = 17 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148x (15 e 14)/4 0,677 DL=0,63 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,50 Rc = 7,50 mm (medido c/ lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ

= → (F=17) 19,94 17,21 T = coeficiente de transmissão



GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

14

Z1 Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

17

FIGURA 103. Perfil feixe/características L10ML15-10 MHz – Krautkr. Esfera 5 mm.

111

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


12,70 mm (1/2”)


Ganho

43,7 dB

D7 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

11,50

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

13

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

1,5

-X (mm)


cia Z2

0,225

+X (mm)


cia Z2

0,225

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

0,45

-Y (mm)


cia Z2

1,875

+Y (mm)


cia Z2

0,925

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

2,80

•L10ML15 Cabeçote

10 MHz Focalizado em linha


•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 8 mm

D0≈0,63Dext.

5,0 mm

Deff≈0,97D0 4,85 mm

•Notações

*


5 mm

N = compri-mento do

campo próximo

--- F = distância

focal 15 mm


cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=


( )211 VVRF c −= = 15 → 15 Z2 = 13 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148 (15 e 11,5)/4 0,677 DL = 0,52 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,45 Rc = 7,50 mm (medido c/ lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ

= → (F=11,50) 29,47 25,44 T = coeficiente de transmissão


: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água

GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

11.5

Z1Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

13 20

FIGURA 104. Perfil feixe/características L10ML15-10 MHz–Krautk. Esfera12,7mm.

112

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


5 mm


Ganho

41,5 dB

D8 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

17

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

18,50

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

1,50

-X (mm)


cia Z2

0,25

+X (mm)


cia Z2

0,25

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

0,50

-Y (mm)


cia Z2

0,25

+Y (mm)


cia Z2

0,25

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

0,50

•

Cabeçote

SIJ 386 10 MHz

Focalizado em ponto


•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 9 mm

D0≈0,79Dext.

6,35 mm

Deff≈0,97D0 6,15 mm

•Notações

*


N = compri-

mento do campo

próximo



cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=


( )211 VVRF c −= = --- → 20 Z2 =18,50 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148x(20 e 17)/4,5 0,80 DL = 0,68 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,50 Rc = 10 mm (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4,5 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ




GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

17

Z1Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

18.5 20

FIGURA 105. Perfil/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 5 mm.

113

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


12,70 mm


Ganho

40,3 dB

D9 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

18,00

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

19,50

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

1,50

-X (mm)


cia Z2

0,625

+X (mm)


cia Z2

0,45

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

1,075

-Y (mm)


cia Z2

0,425

+Y (mm)


cia Z2

0,625

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

1,05

•

Cabeçote

SIJ 386 10 MHz

Focalizado em ponto


•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 9mm

D0≈0,79Dext.

6,35 mm

Deff≈0,97D0 6,15 mm

•Notações

*


N = compri-

mento do campo

próximo



cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=


( )211 VVRF c −= = 20 → 20 Z2=19,5 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148x(20 e 18)/4,5 0,80 DL = 0,72 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,075 Rc = 10 mm (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4,5 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ

= →(F=18) 23,83 20,57 T = coeficiente de transmissão


: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 =3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água

GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

18

Z1Z2

(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

19.5

FIGURA 106. Perfil/características SIJ 386 –10 MHz–Automation – Esfera 12,7 mm.

114

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


5 mm


Ganho

52,8 dB

C8 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

31

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

36

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

5

-X (mm)


cia Z2

0,525

+X (mm)


cia Z2

0,525

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

1,05

-Y (mm)


cia Z2

0,525

+Y (mm)


cia Z2

0,525

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

1,05

•

Cabeçote

DIZ 57A8919 10 MHz

Praticamente normal

(cristal quase plano – Rc

muito grande) Imersão

•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 8 mm

D0≈0,79Dext.

6,35 mm

Deff≈0,97D0 6,15 mm


*


mento do campo


focal


cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=

λ = comprimento de onda na água = 64 (se cristal plano) → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água

( )211 VVRF c −= = 31 → --- Z1 = 31 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148x31/4 --- DL = 1,40 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,05 Rc = muito grande (impossivel uso lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água Para F=31 (na prática), V1 = 1,48 Km/s e V2 =3,0 km/s⇒Rc = 15,50 mm r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ


R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 31 mm (na prática) Z2 = impedância acústica material lente


GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

31

Z1 Z2 (Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

36

FIGURA 107. Perfil/características DIZ 57A8919–10 MHz–Automation – Esfera 5 mm.

115

EPOCH II Aparelho

Panametrics

50 mm Escala

Refletor de


12,70 mm (1/2”)


Ganho

45,3

C9 Memória

Z1 (mm)

F Distân-cia focal

1


co da esfera a

80% altu-ra da tela

30

Z2 (mm)

F Distân-cia focal

2


co da esfera a

80% altu-ra da tela

35

∆Z (mm)

Compri-mento focal

Z2 – Z1

5

-X (mm)


cia Z2

0,525

+X (mm)


cia Z2

0,525

Dfx6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção X


cia Z2

|-X| + |+X|

1,05

-Y (mm)


cia Z2

0,525

+Y (mm)


cia Z2

0,525

Dfy6 (mm)

Diâmetro de valor

médio do foco na

direção Y


cia Z2

|-Y| + |+Y|

1,05

•

Cabeçote

DIZ 57A8919 10 MHz

Praticamente normal

(cristal quase plano – Rc

muito grande) Imersão

•Dimensões

do cabeçote


carcaça) 8 mm

D0≈0,79Dext.

6,35 mm

Deff≈0,97D0 6,15 mm

•Notações

*


N = compri-mento do

campo próximo



cabeçotes


Teoria Prática

12 4VfDN eff=

λ = comprimento de onda na água = 64 (se cristal plano) → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água

( )211 VVRF c −= = 30 → --- Z1 = 30 V2 = velocidade do ultra som na lente

rFDL λ22,1= =1,22x0.148x30/4 --- DL = 1,35 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 =1,05 Rc = muito grande (Impossivel uso lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água Para F=30 (na prática), V1 = 1,48 Km/s e V2 =3,0 km/s⇒Rc = 15,00 mm r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para




( ) ( )2

122



22

2 TF

DGP λπ


R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 30 mm Z2 = impedância acústica material lente


GP = ganho da lente

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

10 30 40 50

Z (mm)

ENVELOPE DO ECO

Z1 Z2(Dfx6 + Dfy6)/2

CABEÇOTE

CRISTAL

FOCO

35

FIGURA 108. Perfil/características DIZ 57A8919–10 MHz–Automation –Esfera12,7 mm.

116

Pode-se observar que o formato dos feixes sonoros obtidos com alvo refletor esfera de aço de

diâmetro 12,70 mm é semelhante ao formato do feixe sonoro obtido com alvo refletor esfera de

aço de 5,00 mm de diâmetro. A diferença substancial é no ajuste de ganho do equipamento, ou

seja, o ganho para estabelecer o eco proveniente do centro geométrico da esfera a 80% da altura

da tela para a esfera de 5,00 mm de diâmetro é maior que para a esfera de 12,70 mm de diâmetro.

4.5 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste ultra-sônico por

imersão

Após a obtenção dos perfis dos feixes sônicos dos cabeçotes, verificou-se que, para estabelecer a

altura do eco proveniente da superfície geométrica da esfera a 80% da altura da tela, o ganho do

equipamento foi maior para a esfera de 5,00 mm de diâmetro do que para a esfera de 12,70 mm

de diâmetro. O valor adotado para a inspeção por ultra-som de miniplacas combustível foi o

maior valor de ganho estabelecido na detecção da superfície geométrica da esfera de diâmetro

5,00 mm. Estes ganhos foram apresentados nos quadros das FIG. 98 a 108.

Adotou-se também outro ganho de referência, ajustando-se o eco proveniente da superfície da

miniplaca a 80% da altura da tela, registrando-se este ganho. Neste caso é mais fácil visualizar a

alteração na altura do eco quando o feixe sonoro incide sobre um refletor de referência ou uma

descontinuidade.

4.6 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste ultra-sônico por

contato

No teste por contato, a sensitividade (ganho) foi estabelecida com o eco de fundo da espessura de

2,40 mm da miniplaca combustível colocado a 80% da altura da tela para os cabeçotes normais

com sapata plástica de atraso.

117

4.7 Ensaio inicial por ultra-som da miniplaca PE 01

O primeiro ensaio ultra-sônico realizado na placa PE 01 foi executado para identificar regiões

com e sem descontinuidades existentes na placa, na região entre a moldura e o revestimento, de

forma a fornecer subsídios para o projeto dos refletores de referência incorporados na placa. As

telas típicas, no equipamento de ultra-som, para uma região com descontinuidade (falha na

ligação) e sem descontinuidade podem ser observadas nas FIG. 72 e 73, na descrição da

metodologia.

4.8 Inspeção por ultra som em miniplacas combustível

4.8.1 Identificação do revestimento e da superfície do revestimento da miniplaca PE 01

A placa de revestimento onde estão escritas as identificações 1 a 30 é identificada como

revestimento A e sua superfície externa é chamada de superfície A. Do mesmo modo, a placa de

revestimento do outro lado da miniplaca combustível, é identificada como revestimento B e sua

superfície externa é chamada de superfície B. Identifica-se profundidade A como a distância da

superfície A até o fundo do furo de fundo plano ou até fundo do entalhe ou até uma determinada

profundidade; identifica-se profundidade B como a distância da superfície B até uma determinada

profundidade.

4.8.2 Cabeçotes de contato

Utiliza-se sapata plástica de atraso em frente ao cristal do cabeçote para que dentro dela fiquem

contidos a zona morta e o campo próximo N do feixe sonoro, já discutidos anteriormente,

eliminando ou reduzindo a influência dos mesmos quando se examina peças de espessuras finas.

Mesmo assim, observa-se nas telas das FIG. 109 a 114, utilizando-se os dois cabeçotes com

sapata plástica de atraso mostrados na FIG. 71, que no início da tela ainda aparecem ecos devido

a estas influências, ocupando aproximadamente 0,50 mm da escala horizontal utilizada, de 0 a

10mm. Analogamente, no teste por imersão, a zona morta e o campo próximo N do feixe sonoro,

devem ficar contidos na coluna d’água que separa o cabeçote da peça que está sendo

118

inspecionada. As indicações de descontinuidades nas peças devem sempre ser obtidas com as

mesmas situadas dentro do campo remoto, ou seja, além do comprimento N do campo próximo.

Nas FIG. 81, 83 e 85, são mostrados os feixes sonoros envolvidos no teste de ultra-som por

contato utilizando-se cabeçotes com sapata plástica de atraso numa placa combustível. Verifica-

se que apenas 0,92% da energia sonora emitida pelo cabeçote retornam ao cabeçote após incidir e

penetrar na placa combustível com e sem a presença de descontinuidade ou falha na ligação

combustível/revestimento. Assim, para se obter uma resposta visível na tela, a sensitividade (ou

ganho do instrumento) tem que ser relativamente alta.

Nas inspeções por ultra-som da miniplaca combustível PE 01 e mais duas miniplacas

combustíveis, foram utilizados os cabeçotes DTZ 57AB 920 Automation de 10 MHz e DTZ

57AB 985 Automation de 15 MHz, com sapata plástica de atraso com 6 mm de comprimento em

frente ao cristal.

4.8.2.1 Telas típicas de detecção de ligação e falha na ligação entre moldura e revestimento

e de detecção de furos de fundo plano e entalhes

Nas FIG. 109 a 114 são apresentadas as telas típicas de detecção de ligação e falha na ligação

moldura/revestimento e combustível/revestimento e também as de detecção de furos de fundo

plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01.

FIGURA 109. Tela típica de ligação moldura/revestimento adequada.

119

Neste caso, representa a ligação adequada entre a moldura e o revestimento. O 1º eco de fundo,

referente à espessura da placa, igual a 2,40 mm foi posicionado a 80% da altura da tela com

ganhos no equipamento de 60 dB (10 MHz) e 67 dB (15 MHz). Ver quadro na FIG. 115. Esta

figura é semelhante à FIG. 73 e corresponde ao mostrado no desenho esquemático da FIG. 81. O

teste foi realizado pela superfície A.

FIGURA 110. Tela típica de ligação combustível/revestimento adequada.

No caso, representa a ligação adequada entre o combustível e o revestimento A. O 1º eco de

fundo, referente à espessura da placa, igual a 2,40 mm, aparece situado na escala horizontal na

posição referente a uma espessura de 2,80 mm. Isto ocorre devido à menor velocidade de

propagação do som no urânio (3.200 m/s).

FIGURA 111. Tela típica de falha na ligação combustível/revestimento.

120

Neste caso, falha na ligação combustível/revestimento B. São verificados ecos de fundo múltiplos

referentes à espessura do revestimento. Esta figura é semelhante à FIG. 72 e corresponde ao

esquema mostrado na FIG. 85. O teste foi realizado pela superfície B.

FIGURA 112. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em maior profundidade.

Furo nº 5, diâmetro 2,00 mm, profundidade A = 1,90 mm. Eco explícito do furo a 40% da altura

da tela. Teste pela superfície A.

FIGURA 113. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em menor profundidade ou

próximo à superfície. Furo nº 2, diâmetro 2,50 mm, profundidade A = 0,50 mm.

Neste caso a detecção é possível pela observação da queda do eco de fundo, de 80% para 50% da

altura da tela.

121

FIGURA 114. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado próximo à superfície e com

diâmetro maior do que 3 mm. Furo nº 4, diâmetro 4 mm, profundidade A = 0,50 mm.

A detecção é possível pela observação da queda do eco de fundo ou perda total do mesmo. No

caso, perda total do eco de fundo.

4.8.2.2 Discussão dos resultados – Cabeçotes de contato

Os resultados obtidos com os cabeçotes normais com sapata plástica de atraso DTZ 57AB 920 –

10 MHz e DTZ 57AB 985 – 15 MHz, apresentados nas imagens das FIG. 109 a 114, estão

representados no quadro da FIG. 115 e nos gráficos das FIG. 116 e 117. O esquema da

numeração 1 a 30 dos furos e entalhes sobre a superfície A da miniplaca combustível PE 01 está

na (FIG. 94). O esquema mostrando o corte transversal da localização, diâmetros, profundidades,

comprimentos e larguras dos furos de fundo plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE

01, da FIG. 94, está na (FIG. 95).

4.8.2.2.1 Detecção de falhas na ligação

Na FIG. 109 é mostrado que, na miniplaca combustível PE 01, não foram encontradas falhas na

ligação entre os revestimentos A e B de aço inoxidável e a moldura de aço inoxidável, com

exceção da encontrada na peça de 45 mm inicialmente retirada da mesma para os estudos iniciais.

Na FIG. 110 é mostrado que o revestimento A de aço inoxidável está ligado adequadamente ao

122

combustível UO2/aço inox. Na FIG. 111 é verificada a falha na ligação entre o revestimento B e o

combustível UO2/aço inox.

4. 8.2.2.2 Exame por ultra som de miniplacas combustível adicionais

Foram examinadas, após a placa PE 01, quatorze miniplacas combustível fabricadas em

condições similares à placa PE 01, com a variação de apenas alguns parâmetros de fabricação. Os

ensaios foram realizados com os dois cabeçotes DTZ 57AB 920 e DTZ 57AB 985 e treze delas

apresentaram falhas na ligação núcleo combustível/revestimento nos dois lados, produzindo a tela

típica de falha na ligação mostrada na (FIG. 111).

4.8.2.2.3 Detecção dos fundos de furos de fundo plano situados em profundidade maior A = 1,90 mm e profundidade menor A = 0,40 mm e A = 0,50 mm

Os furos de fundo plano profundos, profundidade A = 1,90 mm, são realmente detectados como

demonstra o pequeno eco à esquerda do eco de fundo da miniplaca combustível, como mostrado

na tela da (FIG. 112). Os furos de fundo plano rasos, profundidade A = 0,40 a 0,50 mm, somente

são percebidos através da queda ou perda total do eco da superfície de fundo da placa

combustível, como é demonstrado, respectivamente, nas telas das (FIG. 113 e 114).

4.8.2.2.4 Detecção dos entalhes

Nenhum dos entalhes foi detectado pelos cabeçotes DTZ 57AB 920 e DTZ 57AB 985 com

sapatas plásticas de atraso de 6 mm de comprimento.

4.8.2.2.5 Quadro e gráficos apresentando os resultados da inspeção utilizando cabeçotes

normais com sapata plástica de atraso

Na FIG. 115 é apresentado o quadro com os resultados obtidos utilizando-se os dois cabeçotes

DTZ 57AB 920 – 10 MHz e DTZ 57AB 985 – 15 MHz com sapatas plásticas de atraso e os

resultados contidos neste quadro podem ser visualizados nos gráficos das (FIG. 116 e 117).

123

CABEÇOTES COM SAPATA PLÁSTICA DE ATRASO (DELAY LINE TRANSDUCER) Diâmetro do cristal = 6,35 mm (1/4”)

Comprimento da sapata plástica de atraso (delay line length) = 6 mm

Diâ

met

ro (m

m)

Com

prim

ento

(mm

)

Larg

ura

(mm

)

A =

Dis

tânc

ia d

a su

perf

ície

A

até

o fu

ndo

do fu

ro o

u en

talh

e (m

m)

DTZ 57AB 920 - Automation Freqüência 10 MHz

Aparelho EPOCH II–Panametrics:

Memória C1

Ganho de referência: Eco fundo da espessura de 2,40 mm da placa

combustível a 80% da altura da tela 60 dB

DTZ 57AB 985 - Automation Freqüência 15 MHz

Aparelho EPOCH II–Panametrics:

Memória C4

Ganho de referência: Eco fundo da espessura de 2,40 mm da placa

combustível a 80% da altura da tela 67 dB

Queda do eco de

fundo de 80% altura da tela até

Altura do eco

proveniente do furo de fundo plano

Altura do eco proveniente do

entalhe

Queda do eco de

fundo de 80% altura da tela até

Altura do eco

proveni ente do furo de fundo plano

Altura do eco proveniente do

entalhe

Furo 1 2,00 0,50 Indefinido Indefinido Furo 2 2,50 0,50 50% 20% Furo 3 3,00 0,50 35% 10% Furo 4 4,00 0,50 20% 0% Furo 5 2,00 1,90 10% 40% Furo 6 2,50 1,90 20% 60% Furo 7 3,00 1,90 30% 80% Furo 8 4,00 1,90 60% 80% Furo 9 2,00 0,40 Indefinido Indefinido Furo 10 3,00 0,40 40% 30% Furo 11 4,00 0,40 20% 20% Furo 12 5,00 0,40 0% 10% Entalhe 13 4,00 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 14 3,25 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 15 2,50 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 16 4,00 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 17 3,25 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 18 2,50 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 19 4,00 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 20 3,25 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 21 2,50 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 22 4,00 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 23 3,25 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 24 2,50 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 25 4,00 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 26 3,25 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 27 2,50 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 28 4,00 0,20 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 29 3,25 0,20 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 30 2,50 0,20 0,25 Não detectado Não detectado

FIGURA 115. Quadro dos resultados obtidos pela incidência dos feixes ultra-sônicos sobre os furos de fundo plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01. Ver (FIG. 94, 95 e 96).

124

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5

DIÂMETRO DOS FUROS DE FUNDO PLANO (mm)

2,5

35

10INDEFINIÇÃO

A = 0,50 mm (Queda do eco de fundo)


A = 1,90 mm (Eco do furo de fundo plano)

CABEÇOTE DTZ 57AB 920 - AUTOMATION - 10 MHz

FIGURA 116. Altura da tela (%) x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 10 MHz.

%ALTURA DA TELA

0

20

40

60

80

100

1 2 3 4 5

DIÂMETRO DOS FUROS DE FUNDO PLANO (mm)

2,5

30

CABEÇOTE DTZ 57AB 985 - AUTOMATION - 15 MHz

10

A = 1,90 mm (Eco do furo de fundo plano)



FIGURA 117. Altura da tela x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 15 MHz.

125

4.8.3 Cabeçotes de imersão

No teste por imersão, a zona morta e o campo próximo N do cabeçote ficam contidos na coluna

d’água que separa o cabeçote da peça que está sendo inspecionada. As indicações de

descontinuidades nas peças devem sempre ser obtidas com as mesmas situadas dentro do campo

remoto, ou seja, além do comprimento N do campo próximo.

Nos cabeçotes de imersão focalizados, 1514 Karl Deutsch 4 MHz, focalizado em linha ou elipse;

L10ML15 10 MHz, focalizado em linha ou elipse; SIJ 386 – 10 MHz, focalizado em ponto ou

círculo e DIZ 57 A8919 – 10 MHz, focalizado em ponto ou círculo, existe o efeito segunda lente,

trazendo o ponto focal para mais perto da superfície como mostrado na (FIG. 47).

Nas FIG. 80, 82 e 84, item 3.4, são mostrados os feixes sonoros envolvidos no teste de ultra-som

por imersão numa placa combustível. Verifica-se que apenas 1,27% ou 1,44% da energia sonora

emitida pelo cabeçote retorna ao mesmo após incidir e penetrar na placa combustível com e sem

a presença de descontinuidades ou falhas na ligação combustível/revestimento. Por isto, para se

obter uma resposta visível na tela, a sensitividade ou ganho do instrumento tem que ser

relativamente alto.

4.8.3.1 Visão geral do tanque ultrasonic para realização de testes de ultra som por

imersão

Na FIG. 118 é mostrada a visão geral do tanque ultrasonic, onde vão ser executados os testes de

ultra-som por imersão na miniplaca combustível PE 01.

126

FIGURA 118. Visão geral do tanque ultrasonic durante a realização de um teste de ultra som por

imersão.

A seguir estão descritos os testes por ultra-som realizados com os seis cabeçotes de imersão

mostrados na FIG. 76 e os respectivos resultados obtidos com cada cabeçote.

4.8.3.2 Exames com cabeçote normal 1421 Karl Deutsch - 4 MHz

Este cabeçote, conforme mostra o quadro da FIG. 98, possui N = 48 a 58 mm, diâmetro externo

(excluindo a carcaça) igual a 15 mm, diâmetro real do cristal igual a D0 = 0,67 x 15 = 10 mm,

diâmetro efetivo do cristal igual a Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm e diâmetro médio focal igual a

3,00 mm. Este diâmetro focal de 3,00 mm é relativamente grande. Conforme exemplificado no

item 4.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm para o seu menor diâmetro focal DL foi

considerado grande e, por isso, tem dificuldades na detecção de furos e entalhes pequenos como

os da placa combustível PE 01. Este cabeçote não detectou nem as falhas na ligação, nem os

furos de fundo plano e nem os entalhes na miniplaca combustível PE 01.

4.8.3.3 Exames com cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz

Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 99 e 100, possui N = 12,00 a 16,50 mm,

diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 7,00 mm, diâmetro real do cristal igual a D0 = 0,67

x 7 = 4,70 mm, diâmetro efetivo do cristal igual a Deff = 0,97 x D0 = 4,50 mm e diâmetro médio

127

focal igual a 3,00 mm. Este diâmetro focal de 2,50 mm também é relativamente grande. Este

cabeçote não detectou nem as falhas na ligação, nem os furos de fundo plano e nem os entalhes

na miniplaca combustível PE 01.

4.8.3.4 Direção de varredura convencionada para a inspeção por ultra som com cabeçotes

de imersão focalizados em linha (elipse)

A direção de varredura, convencionada para os cabeçotes de imersão focalizados em linha, é a

direção Y, conforme apresentado na FIG. 119.

FIGURA 119. Direção de varredura convencionada para testes com os cabeçotes de imersão

focalizados em linha (elipse).

4.8.3.5 Exames com cabeçote focalizado em linha (elipse) 1514 Karl Deutsch – 4 MHz

O cabeçote 1514 Karl Deutsch - 4 MHz, conforme mostrado nos quadros das FIG. 101 e 102,

possui F = 19,00 a 21,50 mm, raio de curvatura da lente Rc = 10 mm, raio de abertura da lente r =

7,50 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 15,00 mm, diâmetro real do cristal D0 =

0,67 x 15 mm = 10 mm (pode ser comprovado visualmente através da lente de plexiglass

transparente), diâmetro efetivo do cristal Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio focal de

3,00 mm a 3,40 mm. Este diâmetro focal de 3,00 a 3,40 mm é relativamente grande. No caso dos

entalhes, inspeção pela superfície A da placa PE 01, este cabeçote detectou somente o entalhe 22,

128

com comprimento 4 mm, largura 0,20 mm, profundidade A da superfície até o fundo do furo =

2,15 mm. Ocorreu uma redução do eco da superfície de 80% da altura da tela para 50% altura da

tela. Na freqüência mais baixa, 4 MHz, a penetração é maior e detecta-se uma descontinuidade a

uma maior profundidade. Na FIG. 120 é mostrado este cabeçote posicionado de forma a não

atingir o entalhe 22. Pode-se observar o eco de fundo a 80% da tela. Na FIG. 121, com o cabeçote

posicionado sobre o entalhe, observa-se a redução no eco de fundo, de 80% para 50%, indicando

a sua presença.

FIGURA 120. Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado fora do

entalhe 22. Eco de superfície a 80% da tela. Inspeção pela superfície A.

FIGURA 121. Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado sobre o

entalhe 22. Redução na altura do eco de 80% da altura da tela para 50% da altura da tela.

129

Este cabeçote não foi capaz de detectar as falhas na ligação combustível/revestimento, que foram

detectadas pelos cabeçotes de contato com sapata de atraso.

No caso dos furos de fundo plano, foi possível a detecção de furos de diâmetro 2,00 mm situados

nas profundidades de 0,50 mm e de 1,90 mm na placa combustível PE 01, como pode ser

observado nas FIG. 122 e 123.

FIGURA 122. Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando o furo nº1 – Diâmetro 2 mm,

profundidade A = 0,50 mm. Pequeno eco do lado direito do eco da superfície. Comparar com a

(FIG. 120).

FIGURA 123. Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo 5 – Diâmetro 2 mm,

profundidade A = 1,90 mm. Pequeno eco do lado direito do eco da superfície. Comparar com a

(FIG. 120)

130

Os outros furos de fundo plano de diâmetros maiores são detectados também por este cabeçote.

Ele ainda é capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo combustível pela queda ou aumento

acentuado do eco de superfície na linha limite.

4.8.3.6 Detecção com cabeçote focalizado em linha (elipse) L10ML15 – 10 MHz

Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 103 e 104, possui F = 11,50 a 17,00 mm,

raio de curvatura da lente Rc = 7,50 mm, raio de abertura da lente r = 4 mm, diâmetro externo

(excluindo a carcaça) igual a 8,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 = 0,63 x 8 mm = 5 mm,

diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio focal é 1,65 mm. Este

diâmetro focal de 1,65 mm é relativamente pequeno. Por isso, detecta descontinuidades menores.

Devido a possuir freqüência mais alta, 10 MHz, o seu feixe sonoro tem menor penetração na

placa combustível e, portanto, entalhes que estão situados próximos à superfície, profundidade A

= 0,40 a 0,50 mm e até A = 1,20 mm são detectados e os entalhes que estão em profundidade

maior A = 1,90 mm não são detectados, como pode se observar nas (FIG. 124 e 125).

FIGURA 124. Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado fora do entalhe 25,

com comprimento 4 mm; largura 0,20 mm; profundidade A = 1,20 mm). Eco da superfície a 80%

da altura da tela. Inspeção pela superfície A.

131

FIGURA 125. Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado sobre o entalhe 25.

Redução na altura do eco de 80% para 60% da altura da tela. Inspeção pela superfície A.

Este cabeçote não detecta falhas na ligação núcleo combustível/revestimento, conforme mostrado

nas FIG. 126 e 127 e nem furos de fundo plano, como demonstrado nas FIG. 128 e 129.

FIGURA 126. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado fora do núcleo.

Eco da superfície a 80% da altura da tela.

132

FIGURA 127. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado dentro dos

limites do núcleo. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta falha na ligação (bonding failure).

FIGURA 128. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado sobre o furo 1

– diâmetro 2 mm, profundidade A = 0,50 mm. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de

fundo plano.

133

FIGURA 129. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado sobre o furo 5

– diâmetro 2 mm, profundidade A = 1,90 mm. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de

fundo plano.

4.8.3.7 Detecção com cabeçote focalizado em ponto (círculo) SIJ 386 – 10 MHz

Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 105 e 106, possui F = 17,00 a 19,50 mm,

raio de curvatura da lente Rc = 10 mm, raio de abertura da lente r = 4,50 mm, diâmetro externo

(excluindo a espessura da carcaça) igual a 9,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 ≈ 0,79 x 9 mm

= 6,35 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 6,15 mm, diâmetro médio focal é

0,50 mm e foi determinado com esfera de φ = 5 mm. O diâmetro focal de 1,00 mm foi

determinado com esfera de φ = 12,70 mm. Estes pequenos diâmetros focais possibilitam a

detecção de descontinuidades menores. O feixe sonoro do cabeçote SIJ 386, devido à alta

freqüência do mesmo, possui uma menor capacidade de penetração na placa combustível.

4.8.3.7.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz

Pela superfície A, este cabeçote não detecta furos de fundo plano, entalhes e nem falha na ligação

nas regiões revestimento/combustível e moldura/revestimento.

134

4.8.3.7.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz

A superfície B é a superfície onde foram usinados os furos de fundo plano e os entalhes. Devido

ao seu reduzido diâmetro de foco, este cabeçote, pela superfície B, consegue detectar o limite

entre a superfície e o fundo do furo plano. Na FIG. 130, apresenta-se o cabeçote SIJ 386

posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 12 e o sinal referente ao mesmo. O furo nº

12 possui um diâmetro de 5 mm e uma profundidade B igual a 0,40 mm. A tela, na FIG. 130,

mostra os dois ecos: o eco da superfície é o 1º eco, e o eco do fundo do furo é o segundo eco. A

distância horizontal entre estes dois ecos, é de 0,40 mm, ou seja, é a profundidade de 0,40 mm do

furo 12 a partir da superfície B. Como a profundidade do furo n º 12 é pequena, 0,40 mm, estes

dois ecos aparecem muito juntos e fica difícil distinguir ou definir, quantitativamente, a distância

horizontal entre eles. Qualitativamente é fácil de perceber que neste local existe uma variação de

profundidade (espessura). Se a profundidade do furo é maior, os dois ecos aparecem mais

separados (a resolução é maior).

FIGURA 130. Cabeçote focalizado em ponto SIJ 386, 10 MHz, posicionado sobre o limite

superfície/fundo do furo 12. Inspeção pela superfície B.

Com este cabeçote, os furos de fundo plano na placa PE 01 foram percebidos como descrito a

seguir:

135

• Furos 1 a 3, profundidade B = 1,90 mm e diâmetros 2,00; 2,50 e 3,00 mm. Percepção sutil de

variação de espessura.

• Furo 4, diâmetro 4 mm, profundidade B = 1,90 mm Percepção clara de variação de espessura.

• Furos 5 a 7, diâmetro 2,00 mm, 2,5 mm e 3,00 mm, profundidade B = 0,50 mm. Percepção sutil

de variação de espessura.

• Furo 8 diâmetro 4 mm, profundidade B = 0,50 mm. Percepção clara de variação de espessura.

• Furos 9 a 12, diâmetro 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm, profundidade B = 2,10 mm. Percepção

clara da variação de espessura.

Portanto, o cabeçote SIJ 386 pode ser utilizado para detectar variações de espessura, por

exemplo, em chapas que tiveram sua espessura reduzida devido à corrosão. Este cabeçote SIJ 386

– 10 MHz é pior para se detectar variações de espessura do que o cabeçote DIZ 57 A8919 - 10

MHz.

4.8.3.8 Detecção com cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz – Quase normal – Raio Rc de

curvatura do cristal muito grande, cristal quase plano. Focalizado em ponto (círculo)

Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 107 e 108 possui F = 30,00 a 36 mm;

raio Rc de curvatura da lente muito grande, o cristal é quase plano e, portanto, o cabeçote é quase

um cabeçote normal de imersão; raio de abertura da lente r = 4,00 mm; diâmetro externo

(excluindo a espessura da carcaça) igual a 8,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 ≈ 0,79 x 8 mm

= 6,35 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 6,15 mm, diâmetro médio focal é

1,05 mm. Este pequeno diâmetro focal possibilita a detecção de descontinuidades menores. O

cabeçote DTZ 57 A8919, devido a possuir uma freqüência mais alta, 10 MHz, possui um feixe

sonoro com menor capacidade de penetração na placa combustível.

4.8.3.8.1 Detecção pela superfície A - Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz

Pela superfície A, este cabeçote não detecta furos de fundo plano, entalhes e nem falha na ligação

(bonding failure) revestimento/combustível e moldura/revestimento.

136

4.8.3.8.2 Detecção pela superfície B - Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz

A superfície B é a superfície onde foram usinados os furos de fundo plano e os entalhes na placa

PE 01. Devido a seu reduzido diâmetro de foco, este cabeçote, pela superfície B, consegue

detectar o limite entre a superfície e o fundo do furo plano. O cabeçote DTZ 57 A8919 é

posicionado sobre o limite superfície/fundo de um furo de fundo plano de maneira semelhante ao

cabeçote SIJ 386, como mostrado na (FIG. 130). A tela, na FIG. 131, refere-se ao cabeçote DTZ

57 A8919, posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 8 e apresenta dois ecos

praticamente superpostos (poder de resolução): o 1º é o eco da superfície e o 2º é o eco do fundo

do furo nº 8. Devido à profundidade pequena (0,50 mm), os ecos estão muito próximos um do

outro. A tela, na FIG. 132, refere-se também ao cabeçote o cabeçote DTZ 57 A8919,

posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 12 e apresenta dois ecos praticamente

superpostos: o 1º é o eco da superfície e o 2º é o eco do fundo do furo nº12. Devido à

profundidade maior (2 mm), os dois ecos ficam mais separados um do outro.

FIGURA 131. Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, posicionado sobre o limite

superfície/fundo do furo nº 8, a partir da superfície B. 1º eco é o da superfície e o 2º é o eco do

fundo do furo. Teste pela superfície B.

137

FIGURA 132. Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, 10 MHz, posicionado sobre o

limite superfície/fundo do furo nº 12. 1º eco é o eco da superfície e o 2º eco é o eco do fundo do

furo. Inspeção pela superfície B.

O cabeçote DIZ 57 A8919 percebe nitidamente a variação de profundidade (espessura) em todos

os furos, o que não acontece com o cabeçote SIJ 386.

138

5 Discussão geral dos resultados

5.3.1 Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso (delay line transducer)

Como mostrado na FIG. 72, os cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso detectam

falhas na ligação moldura/revestimento, como apresentado na FIG. 89 (b), no embutimento B,

mostrado de forma esquemática pela linha cheia na (FIG. 92). As “falhas na ligação” moldura

/revestimento, não visíveis a olho nu e somente observadas ao microscópio ótico com aumento de

100 vezes, representadas pelas linhas pontilhadas nas FIG. 91 e 92, não foram detectadas no teste

por ultra-som, como mostrado na (FIG. 73), devido a seu tamanho extremamente reduzido.

Os cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso detectam falhas na ligação

moldura/revestimento e combustível/revestimento. Detectam também furos de fundo plano. Os

furos mais rasos (A = 0,40 a 0,50 mm) são detectados pela queda do eco de fundo e os furos mais

profundos (A = 1,90 mm) são realmente detectados pelas variações na forma dos sinais na tela do

equipamento de ultra-som.

O menor furo de fundo plano, detectado com sinal específico na tela do instrumento pelo

cabeçote de contato de 10 MHz, tem o diâmetro de 2,50 mm e fica situado a uma profundidade

A=1,90 mm. Pela queda do eco de fundo, o menor furo detectado possui o diâmetro de 2,50 mm

e fica situado a uma profundidade A = 0,50 mm. Na profundidade de 0,40 mm, o menor furo

detectado possui diâmetro de 3,00 mm. Estes fatos são ilustrados na (FIG. 119).

O menor furo de fundo plano detectado com sinal específico na tela do instrumento pelo cabeçote

de contato de 15 MHz tem o diâmetro igual a 2,00 mm e fica situado a uma profundidade A =

1,90 mm. Pela queda do eco de fundo, o menor furo detectado possui diâmetro de 2,50 mm e

fica situado a uma profundidade A = 0,50 mm. Na profundidade de 0,40 mm, o menor furo

detectado possui diâmetro de 3,00 mm. Estes fatos são ilustrados pelo gráfico da (FIG. 120). Os

cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso não detectam os entalhes na miniplaca

combustível PE 01.

139

5.3.2 Cabeçotes de imersão

Os cabeçotes de imersão normais 1421 Karl Deutsch – 4 MHz – diâmetro externo =15 mm e1450

Karl Deutsch – 4 MHz – diâmetro externo = 7 mm não detectam falhas na ligação, furos de fundo

plano e entalhes.

O cabeçote de imersão 1514 Karl Deutsch 4 MHz focalizado em linha, no caso dos entalhes,

detecta, pela queda do eco de superfície, apenas o maior dos entalhes, usinado sobre a miniplaca

PE 01, que é o entalhe 22 (comprimento = 4,00 mm; largura = 0,20 mm, e está situado a uma

profundidade grande de 2,15 mm). Como a freqüência é baixa, 4 MHz, a penetração do feixe

ultrasônico é maior. Detecta furos de fundo plano mas não detecta falhas na ligação (bonding

failure). É capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo combustível pela queda ou aumento

acentuado do eco da superfície, dependendo da posição em que a linha do feixe ultra-sônico

focalizado incide sobre os limites. A detecção é melhor quando o limite fica numa posição

ortogonal à linha focal do feixe sonoro.

O cabeçote de imersão L10ML15, focalizado em linha, de freqüência alta, 10 MHz, penetra

pouco e, por isto, não detecta o entalhe 22 que está situado a uma profundidade de 2,15 mm.

Porém, este cabeçote detecta, pela queda do eco de superfície, entalhes mais rasos a

profundidades de 0,40 mm, 0,50 mm e 1,20 mm. Exemplo é a detecção pela queda do eco da

superfície de 80% para 60% quando o cabeçote passa sobre o entalhe 25 (profundidade =1,20

mm, comprimento = 4 mm e largura 0,20 mm - Ver quadro da FIG. 115) como mostram as FIG.

124 e 125. Os entalhes situados em profundidade maior, como os entalhes 22 a 24, profundidade

A = 2,15 mm, não são detectados pelo cabeçote L10ML15. Não detecta furos de fundo plano e

nem falhas na ligação (bonding failure), mas é capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo

combustível pela queda ou aumento acentuado do eco da superfície dependendo da posição em

que a linha do feixe ultra-sônico focalizado incide sobre os limites. A detecção é melhor quando

o limite fica numa posição ortogonal à linha focal do feixe sonoro.

Os cabeçotes SIJ 386,10 MHz, focalizado em ponto e DTZ 57 A8919 não detectam

descolamentos, furos de fundo plano e nem entalhes. Pela superfície B detectam ao mesmo tempo

140

o fundo do furo e a superfície quando o feixe sonoro é posicionado metade no fundo do furo e

metade na superfície. O cabeçote DTZ 57 A8919 é mais eficiente para executar esta tarefa. Estes

cabeçotes podem ser usados para detectar variação de espessura de parede devido à corrosão. A

restrição é que o feixe ultra-sônico deve sempre incidir diretamente sobre o lado da chapa que

está sofrendo corrosão.

5.4 Provável causa de não detecção de falha na ligação (bonding failure) pelos

cabeçotes de imersão

Na FIG 11, item 2.7, é mostrada uma fotomicrografia, pós-laminação da miniplaca combustível e

autoclavagem a 225 ºC, do núcleo combustível com microesferas de UO2 de alta esfericidade e

diâmetro médio de 170 µm (bem próximo ao diâmetro especificado de 150 µm). O item 2.10.13

relata que os tamanhos grandes de grãos, conforme norma ASTM, podem gerar consideráveis

sinais ultra-sônicos de ruídos.

Os cabeçotes de imersão não focalizados e também os focalizados não conseguiram detectar a

falha na ligação combustível/revestimento. Pode-se aventar a hipótese de que alguma rugosidade

na superfície do núcleo combustível ou a alta esfericidade e porosidade das microesferas

contribuíssem para que o feixe sonoro sofresse espalhamento ao incidir nestes obstáculos e não

retornasse ao cabeçote. Nas FIG. 53 a 57, item 2.10.10, são mostrados os efeitos das superfícies e

das descontinuidades sobre o feixe sonoro. O efeito focal segunda lente, mostrado na FIG. 47,

talvez possa ter produzido alguma complicada interferência destrutiva na região da falha na

ligação (bonding failure) e os sinais ultra-sônicos não refletiram de volta ao cabeçote.

5.5 Onze quadros de perfis de feixes ultra-sônicos dos cabeçotes da FIG. 76

apresentados nas FIG. 98 a 108

Na FIG. 20, item 2.10.3 da pesquisa bibliográfica, é apresentada a fotografia do feixe sonoro com

seu lobo central e lobos laterais. O lobo central, com maior pressão acústica, também define o

menor diâmetro focal LD (também chamado limite de difração ou Airy disk of the first order)

que se pode obter. Na FIG. 21 é ilustrado o Princípio de Huygens; na FIG. 22 são mostradas as

141

pequenas ondas “wavelets” saindo das “aberturas” do cristal do cabeçote e a resultante é onda

plana e, finalmente, na FIG. 24, item 2.10.4 – Difração – é mostrada a difração em aberturas. No

Apêndice B – Fabricação e teste de lentes acústicas - e nos onze quadros, FIG. 98 a 108, é

apresentado o menor diâmetro focal DL que é calculado pela equação rFDL λ22,1= , onde λ =

comprimento de onda na água; F = distância focal; r = raio de abertura da lente. Num teste por

imersão, um cabeçote focalizado de freqüência f = 10 MHz emite um feixe sonoro na água, Vágua

= 1,48 km/s, cujo comprimento de onda mmfVágua 148,01048,1 ===λ . Sendo a distância

focal F = 25 mm na água, e o raio de abertura da lente r =13 mm, tem-se

mmDL 35,01325.148,0.22,1 == . Este é o menor diâmetro focal que pode ser obtido. Quando o

cabeçote possui baixa freqüência igual a 1 MHz, o comprimento de onda

mmfVágua 48,1148,1 ===λ , então para r =13 mm e F = 25 mm, tem-se

mmDL 5,31325.48,1.22,1 == . Observa-se que em cabeçotes com baixa freqüência, igual a 1

MHz, o menor diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura

igual a 13 mm em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande, tornando difícil a

detecção de pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor

diâmetro focal restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências.

Nas FIG. 98 a 108 são apresentados os quadros mostrando os formatos dos feixes sonoros dos

seis cabeçotes de imersão da FIG. 76, determinados utilizando o equipamento XYZ da FIG. 78.

Os formatos dos feixes sonoros foram determinados, para cada cabeçote, utilizando-se esferas de

aço de diâmetros 12,70 mm e 5,00 mm. Pode-se observar que o formato dos feixes sonoros

obtidos com alvo refletor esfera de aço de diâmetro 12,70 mm é semelhante ao formato do feixe

sonoro obtido com alvo refletor esfera de aço de 5,00 mm de diâmetro. A diferença substancial é

no ajuste de ganho do equipamento, ou seja, o ganho para estabelecer o eco proveniente do centro

geométrico da esfera a 80% da altura da tela para a esfera de 5,00 mm de diâmetro é maior que

para a esfera de 12,70 mm de diâmetro, como pode ser visto pelos quadros das FIG. 98 a 108. O

ganho de referência adotado para a inspeção da miniplaca combustível PE 01 é o ganho maior

referente à esfera de diâmetro 5,00 mm.

142

O cabeçote 1421 Karl Deutsch – 4 MHz, conforme mostra o quadro da FIG. 98, possui N = 48 a

58 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 15 mm, diâmetro real do cristal é D0 =

0,67 x 15 = 10 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio

focal é 3,00 mm. Este diâmetro focal de 3,00 mm é relativamente grande. Conforme

exemplificado no item 3.6.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm para o seu menor

diâmetro focal DL foi considerado grande e , por isso, tem dificuldades na detecção de furos e

entalhes pequenos como os da placa combustível PE 01. Este cabeçote não detecta nem as falhas

na ligação (bonding failure), nem os furos de fundo plano e nem os entalhes na miniplaca

combustível PE 01.

O cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz, conforme mostrado nos quadros das FIG. 99 e

100, possui N = 12,00 a 16,50 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 7,00 mm,

diâmetro real do cristal é D0 = 0,67 x 7 = 4,70 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0

= 4,50 mm, diâmetro médio focal é 3,00 mm. Este diâmetro focal de 2,50 mm é relativamente

grande. Conforme exemplificado no item 3.6.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm

para o seu menor diâmetro focal DL foi considerado grande e , por isso, tem dificuldades na

detecção de furos e entalhes pequenos como os da placa combustível PE 01. Ver (FIG. 94, 95, 96

e 115). Este cabeçote não detecta nem as falhas na ligação (bonding failure), nem os furos de

fundo plano e nem os entalhes na miniplaca combustível PE 01.

5.6 Publicação relatando dificuldade para determinar os refletores de referência e

determinar o ganho de referência a ser estabelecido no equipamento de ultra som

Para cabeçote de imersão, no item 4.5, adotou-se a esfera de diâmetro 5 mm (ver quadros das

FIG. 98 a 108) para refletor de referência e também adotou-se o eco proveniente da superfície da

miniplaca combustível, ambos estabelecidos a 80% da altura da tela com um determinado ganho

de referência em dB. Para cabeçotes normais de contato com sapata plástica de atraso (delay line

transducer), foi adotado como refletor de referência o eco de fundo da espessura de 2,40 mm da

miniplaca combustível colocado a 80% da altura da tela correspondendo a um determinado ganho

de referência em dB no equipamento de ultra som, como consta do item 4.6.

143

Estes ganhos de referência foram assim estabelecidos devido à ausência de normas determinando

os refletores padrões de referência para se obter as alturas dos ecos de referência e,

conseqüentemente os ganhos de referência. Se os ganhos de referência são estabelecidos com

base em normas oficiais, as indicações ultra-sônicas provenientes de descontinuidades podem ser

classificadas como aprovadas ou reprovadas. Mas este não é um problema isolado. O relato

abaixo descreve o fato envolvendo o reator a água pesada R3/Adam da Suécia onde, na ausência

de normas oficiais, foram usados no equipamento de ultra som ganhos extremamente altos, o que

ocasionou a detecção de descontinuidades tão diminutas que, provavelmente estariam aprovadas

por normas oficiais.

A primeira carga de elementos combustíveis para o reator refrigerado a água

pesada R3/Adam da Suécia........

Defeitos típicos que afetam a integridade do revestimento são trincas,

micro porosidades, dobramentos, bolhas e poros em junções soldadas, etc., e

também efeitos de corrosão de atrito acelerada por vibrações diferenciais na zona

interfacial (fretting corrosion) e resistência à baixa corrosão no material base.

Penetração de água para o interior do segmento combustível através de alguns

defeitos pode resultar em “water logging” ou “falha hídrica ou de hidrogênio” em

temperatura de reator (de acordo com observações canadenses).

Como nós temos pouca experiência originada dos tipos e freqüência dos defeitos

em tubos de zircaloy para revestimento, nós queremos detectar até mesmo

defeitos muito pequenos, e então o equipamento de ultra som tem sido colocado

para trabalhar com um alto nível de sensitividade ou ganho (AIEA, 1961, p.30

e 38)

5.7 Caso real de falha no revestimento

Como um exemplo potencial do que pode acontecer também com o revestimento de aço

inoxidável da placa combustível em tela para reatores de potência, vale lembrar o item 2.8 que

relata falha acontecida no revestimento de alumínio do elemento combustível tipo placa IEA-53

do reator de pesquisa e teste de materiais IEA-R1 do IPEN em São Paulo-SP. A falha consistia de

pites grandes de corrosão localizados ao longo do revestimento e na parte em contato com a água,

que causaram vazamento irregular do produto de fissão 137Cs.

144

Quanto ao revestimento de chapas de aço inoxidável nas placas combustíveis, o item 2.7 observa

que os aços inoxidáveis austeníticos, como o aço AISI 304, apresentam uma resistência à

corrosão devido a formação de uma película protetora, película de passivação, constituída

principalmente por óxido de cromo. O íon cloreto (Cl-), se estiver contido na água onde está

inserido o aço inoxidável, é uma substância agressiva à integridade da película protetora,

destruindo-a em pontos localizados e provocando a formação de corrosão por pite que pode

resultar em perfurações e pontos de concentração de tensões, que reduzem a resistência mecânica

da liga metálica, podendo haver rompimento do revestimento

5.8 Falhas na ligação (bonding failure) observadas no microscópio e não

detectadas por ultra som.

Como consta no item 4.2.1, as amostras dos embutimentos A e B mostradas na FIG. 89,

examinadas em microscópio ótico, com um aumento de 100X, apresentaram “falhas na ligação

(bonding failure)” que não estavam visíveis a olho nu e nem foram detectadas no exame por

ultra-som, como mostrado na (FIG. 73). Estas “falhas na ligação” são representadas pelas linhas

pontilhadas nos esquemas das FIG. 91 e 92 relativas aos embutimentos A e B da (FIG. 89). O

efeito que estas falhas de pequenas dimensões podem produzir no combustível em serviço só

poderá ser determinado quando placas combustíveis aprovadas no exame por ultra-som forem

submetidas a testes de irradiação dentro do vaso do reator nuclear.

5.9 Fabricação sem êxito de lentes acústicas

No item 4.4 foi observado que em cabeçote com freqüência baixa igual a 1 MHz, o menor

diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura igual a 13 mm

em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande e torna-se difícil a detecção de

pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor diâmetro

focal, restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências

No Apêndice B – Fabricação e testes de lentes acústicas – são apresentadas seis lentes de

plexiglass, fabricadas durante o desenvolvimento deste trabalho, para serem adaptadas em frente

145

aos cabeçotes normais de imersão com cristais planos 1450 Karl Deutsh – 4 MHz – diâmetro

externo (incluindo a carcaça) = 8 mm; e 1421 Karl Deutsh - 4 MHz – diâmetro externo

(incluindo a carcaça) = 16 mm com a finalidade de obter focalização em linha (foco em forma de

elipse) e em ponto (foco em forma de círculo) dos feixes ultra-sônicos e assim aumentar a

sensibilidade do ensaio. Infelizmente, estas seis lentes acústicas apresentaram uma atenuação

sonora excessiva. A vantagem de se fabricar lentes acústicas é que isto torna possível especificar

suas dimensões, de tal modo que se obtenha lentes com várias distâncias focais e com

características de foco para satisfazer diversas necessidades, resolvendo problemas de detecção

de descontinuidades.

Os procedimentos para projetar lentes acústicas plano-côncavas encontram-se no Apêndice B e

obedeceram ao indicado por associação norte americana (AMERICAN SOCIETY FOR

NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, volume 7, section 8, part 9).

146

6 Conclusões e sugestões

6.1 Características e tipos de cabeçotes de ultra-som para a inspeção de

combustíveis nucleares tipo placa

Cabeçotes normais de contato com sapata plástica de atraso não foram capazes de detectar

entalhes, mas detectaram falhas na ligação (bonding failure) e furos de fundo plano. Quanto a

estes últimos foi possível estabelecer uma relação quantitativa e coerente entre a altura do eco e

os diâmetros dos furos de fundo plano em diversas profundidades e para duas freqüências (10

MHz e 15 MHz), como apresentado nas (FIG. 116 e 117).

Os cabeçotes normais de imersão não foram capazes de detectar entalhes, falhas na ligação

(bonding failure) e furos de fundo plano.

Os cabeçotes de imersão focalizados em linha, de maior freqüência (10 MHz), foram capazes de

detectar entalhes em menores profundidades, até 1,20 mm, mas não conseguiram detectar falhas

na ligação (bonding failure) e nem furos de fundo plano. Os de menor freqüência (4 MHz), foram

capazes de detectar entalhes maiores e situados em profundidades maiores, furos de fundo plano,

mas não detectaram falhas na ligação (bonding failure). Para os cabeçotes de imersão focalizados

não foi possível estabelecer uma relação quantitativa e coerente entre altura de eco e os tamanhos

dos entalhes ou furos de fundo plano. A detecção foi apenas qualitativa.

Os cabeçotes de imersão focalizados em ponto de maior freqüência não detectaram falhas na

ligação (bonding failure), entalhes e nem furos de fundo plano. Demonstraram, no entanto, ser

capazes de detectar variações de espessura de chapa, (que ocorrem, por exemplo, quando há

corrosão) quando o ataque com o feixe ultra-sônico é executado do lado que sofreu corrosão.

Portanto, diante dos resultados e considerações apresentados, conclui-se que nenhum cabeçote

fornece a resposta final. Os procedimentos para a inspeção por ultra-som devem prever a

utilização de cabeçotes de contato e de imersão para inspecionar por ultra-som combustíveis

nucleares tipo placa.

147

6.1.1 Verificação da possibilidade de aquisição de cabeçotes de imersão com outras

freqüências e outras características

Como o cabeçote de imersão 1514 Karl Deutsch 4 MHz, antigo e com 30 anos de fabricação, foi

o único que detectou furos de fundo plano com pequenos diâmetros (2 mm), em pequenas

profundidades (0,50 mm) e profundidades maiores (1,90 mm), deve-se verificar a possibilidade

de aquisição de cabeçotes de imersão focalizados em linha e em ponto com freqüências menores

(5 MHz e abaixo) e que possuam uma melhor relação entre sensitividade e resolução (capacidade

de separar duas descontinuidades ou espessuras muito próximas). Deve-se também adquirir

cabeçotes de imersão focalizados em linha e em ponto de freqüências maiores (15 MHz e acima),

para verificar o comportamento dos mesmos para essa aplicação.

6.1.2 Verificação de possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de

contato com sapatas de atraso e cabeçotes SE

Verificar a possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de contato com sapatas plásticas de

atraso e também cabeçotes SE com freqüências de 4 MHz e 12 MHz.

6.2 Confecção de novas miniplacas combustíveis alterando os parâmetros de

fabricação

Foram examinadas 14 miniplacas : 10 decapadas e 4 não decapadas. Todas apresentaram falhas

na ligação (bonding failure) combustível/revestimento detectadas no teste por ultra-som. Apenas

a miniplaca PE 01 apresentou falha na ligação apenas de um lado. Propõe-se confeccionar outras

miniplacas combustível, alterando-se os parâmetros de fabricação, de forma a ampliar o escopo

do estudo realizado neste trabalho e obter padrões de referência naturais.

6.3 Testes de irradiação para verificar o desempenho de combustível nuclear

Como determinado neste trabalho, existem “falhas na ligação (bonding failure)” não visíveis a

olho nu e nem detectadas por ultra-som, somente observadas em microscópio ótico com aumento

148

de dezenas de vezes. Há, portanto, a necessidade de se executar testes de irradiação em placas

combustíveis, dentro do vaso do reator, para verificar se as mesmas, aprovadas no teste por ultra-

som, produziriam “pontos quentes” (hot spots).

A eficácia de um processo de fabricação de combustível é determinada pelo desempenho dos

elementos combustíveis, compactados/sinterizados ou não, que devem ser submetidos a

irradiações e às condições de fluxo do reator para avaliar o seu comportamento mecânico e

resistência à corrosão. A compactação/sinterização é para atingir maior densidade. É importante

ter uma alta densidade, pois, alta densidade significa um grande número de átomos de urânio por

unidade de volume, o que resulta numa alta condutividade térmica e uma melhor retenção de

gases de produtos de fissão.

Portanto, é necessário estabelecer parâmetros de fabricação de miniplacas combustíveis mais

adequados, para melhorar a qualidade das mesmas obtendo coesão metalúrgica ou contato

térmico ou ligação (bonding) combustível/revestimento. Estes parâmetros vão orientar a

fabricação de combustível tipo placa de tamanho real, cuja qualidade também deverá ser

comprovada por testes de irradiação.

6.4 Verificação de possibilidade de acesso a normas oficiais

Verificar a possibilidade de acesso a normas oficiais, se existentes, que estabelecem parâmetros

de inspeção por ultra-som de combustíveis tipo placa.

6.5 Objetivos e benefícios pretendidos por este trabalho

Os resultados dos experimentos apontaram para sugestões de especificações de cabeçotes de

ultra-som de contato e imersão, com determinadas características, que devem ser capazes de,

qualitativa ou quantitativamente, detectarem refletores (furos de fundo plano e entalhes) de

dimensões diminutas para servirem de referência na avaliação de descontinuidades e deficiências

na coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação (bonding) UO2-inox/revestimento e

moldura/revestimento na placa combustível. Tais experimentos, juntamente com testes de

149

irradiação dentro do vaso do reator e análises de mecânica da fratura, podem auxiliar na

otimização dos parâmetros de fabricação das miniplacas e na elaboração de procedimentos de

testes não destrutivos por ultra-som para controlar a qualidade de combustíveis nucleares tipo

placa.

7 Propostas para trabalhos futuros

7.1 Inspeção ultra-sônica automatizada por imersão

Esta inspeção utiliza a técnica C-Scan, que possibilita a vista de topo de descontinuidades nos

componentes examinados. Além disso, deve-se estudar a utilização de novas tecnologias, como

phased array, para esse tipo de aplicação.

7.2 Projeto e fabricação de lentes acústicas

Continuar o projeto e fabricação de lentes acústicas. Ver Apêndice B.

150

APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear.

151

APÊNDICE A2 – Ciclo do combustível nuclear detalhado.

● Prospecção ● Mineração ● Beneficiamento do minério de urânio Concentração de 0,1% de urânio 1 Kg de urânio em 1 tonelada minério 1/1000 = 0,1/100 = 0,1%

Obtenção do yellow cake que é concentrado de urânio na forma de

diuranato de sódio Na2U2O7 (DUS) ou carbonato de uranilo (NH4)UO2(CO3)3 (AUC) ou diuranato de amônio (NH4)2U2O7 (DUA)

REFINO Remoção das impurezas químicas do yellow cake

CONVERSÃO para UF6 natural Yellow cake sólido é calcinado para obtenção do U3O8 (Processo seco) que é moído e obtém-se UO2 (pó) que se transforma em UF6 (gás) com pureza de 99,99% → UF6 natural Calcinação: é o processo onde oxidam-se as subs- tâncias presentes em uma dada amostra para a forma de óxidos utilizando calor em torno de 1000º ºC, em laboratório, através de forno elétrico chamado mulfla (1000 ºC a 1400 ºC)

FABRICAÇÃO DO ELEMENTO COMBUSTÍVEL RECONVERSÃO

Transformação do UF6 já enriquecido isotopicamente em pastilhas de UO2

ENRIQUECIMENTO Elevar a concentração de 235U92 Separação isotópica do 238U92 e 235U92

REATOR NUCLEAR COMBUSTÍVEL

QUEIMADO (SPENT FUEL)

ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO DO

COMBUSTÍVEL QUEIMADO

ÁGUA OU AR (PISCINA) ↓ ↓ Processo Processo úmido seco

Combustível

UF6 natural

UF6 enriquecido Reprocessamento Urânio

Plutônio

ARMAZENAMENTO FINAL DO

COMBUSTÍVEL QUEIMADO

Ciclo do Combustível Fechado

Cic

lo d

o C

ombu

stív

el A

bert

o Disposição do elemento combustível queimado no meio ambiente

Deve-se consumir muito urânio no elemento combustível para se obter menor reprocessamento

152

APÊNDICE B - Fabricação e teste de lentes acústicas

A vantagem de fabricar lentes acústicas é que é possível especificar suas dimensões de tal modo

que se obtenha lentes com diversas distâncias focais e suas características de foco para satisfazer

diversas necessidades resolvendo problemas de detecção de descontinuidades.

Infelizmente as seis lentes acústicas fabricadas e mostradas na FIG. B1 apresentaram muita

atenuação sonora. Além do mais, pode ser que o material plexiglass usado não seja o mais

adequado. Estas seis lentes foram fabricadas para serem adaptadas em frente aos cabeçotes

normais de imersão com cristais planos [ 1450 Karl Deutsh – 4 MHz –diâmetro externo

(incluindo a carcaça) = 8 mm; e 1421 Karl Deutsh - 4 MHz – diâmetro externo (incluindo a

carcaça) = 16 mm] com a finalidade de obter focalização em linha (foco em forma de elipse) e

em ponto (foco em forma de círculo) dos feixes sonoros dos mesmos e assim aumentar suas

sensitividades.

FIGURA B1. Seis lentes acústicas de plexiglass fabricadas no CDTN

O som pode ser focalizado através de lentes analogamente à focalização da luz. A diferença

básica entre os dois é a razão t/λ = 104 a 105 para a luz e t/λ ≈ 10 para ultra som, t = espessura da

lente e λ = comprimento de onda do ultra som no meio anfitrião (host) ou meio onde se propaga a

153

luz ou o som. As lentes acústicas podem ser feitas de material sólido ou material líquido. Para

aplicações de ultra som elas geralmente são feitas de material sólido e o meio condutor é um

fluido. Neste caso, o som incidindo da água para a lente, a velocidade acústica é mais alta na

lente (V2 = Vplexiglass = 2,75 km/s) do que na água (V1 = Vágua = 1,48 km/s) e o índice de

refração n = V1/V2 = 0,538 do material da lente (plexiglass) em relação à água é menor que 1

resultando numa lente convergente côncava. Ao contrário da ótica onde a velocidade da luz é

mais baixa no material plexiglass da lente e mais alta na água resultando em um índice de

refração n > 1, resultando numa lente divergente côncava. Na FIG. B2 são mostrados os feixes

sonoros incidindo sobre superfície convexa e divergindo e sobre superfície côncava convergindo.

Os feixes de luz comportariam de modo contrário, isto é, incidindo na superfície convexa

convergiriam e na superfície côncava divergiriam.

FIGURA B2. Feixes sonoros divergindo ao incidirem em superfície convexa e convergindo ao

incidirem em superfície côncava.

Na TAB. B1 são fornecidas as propriedades acústicas de vários materiais para lentes. Na FIG. B3

é mostrada uma lente bicôncava e na FIG. B4 uma lente plano côncava. O sal de sulfato de lítio e

o plexiglass são os mais comumente usados como materiais de lentes em cabeçotes destinados a

testes por ultra som pelas técnicas de imersão pois, os valores de suas impedâncias acústicas são

próximos ao valor da impedância acústica da água, resultando em um bom casamento de

impedâncias e, conseqüentemente, uma alta transmissão de energia sonora para dentro do

cabeçote quando o som retorna do objeto sob teste e, conseqüentemente, uma baixa reflexão de

retorno do som na lente. Isto faz com que o aparelho de ultra som trabalhe com um ajuste de

154

ganho (sensitividade) mais baixo (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE

TESTING, 1991, volume 7, Section 8, part 9, p. 259 e 260)

TABELA B1. Propriedades acústicas de vários materiais para lentes

Na água a 25 ºC (77 ºF) -------------------------------------------------------------- Material Velocidade Densidade Impedância Fator de reflexão Fator de Índice de refração do do som acústica transmissão material da lente em V2 ρ Z2 R = (Z2 – Z1)2 T = 4Z1Z2 (103m/s) (103kg/m3) (106Kg/m2.s) (Z2 + Z1)2 (Z2 + Z1)2 n = V1/V2

relação à água

Acetona 1,16 0,79 0,92 52% 48% 1,28 Alumínio 6,25 2,70 16,90 70% 30% 0,24 Cloroformio 1,00 1,49 1,49 0% 100% 1,48 Vidro 4 a 6 2,3 a 4,0 13 a 16 63% a 69% 37% a 31% 0,25 a 0,37 Lítio 3,00 0,534 1,60 0,15% 99,85% 0,50 Mercúrio 1,45 13,50 19,70 74% 26% 1,03 Plexiglass 2,75 1,18 3,25 13,8% 86,20% 0,54 Polietileno 1,95 0,90 1,75 0,7% 99,30% 0,76 Poliestireno 2,35 1,06 2,49 6,40% 93,60% 0,63 Observações: - O índice 1 se refere à água (acoplante) e o índice 2 se refere ao material da lente. - V1 = 1,48 x 103 m/s (Velocidade do ultra som na água) - Z1 = 1,48 x 106 Kg/m2.s (Impedância acústica da água) - Considera-se que o som vai do meio 1 (água) para o meio 2(lente) e se refrata ou muda a sua trajetória ao entrar na lente. Por isto, o índice de refração é n = V1/V2 , ou seja, da lente em relação à água.

FIGURA B3. Lente bicôncava. Cristal separado da lente induz uma onda transversal (shear) na

lente devido à incidência angular da onda longitudinal.

155

FIGURA B4. Lente plano-côncava. Cristal colado à lente produz um comprimento N de campo

próximo maior do que o comprimento focal F da lente.

Quando uma lente plano côncava é colada diretamente na frente do cabeçote de ultra som, o

comprimento N do campo próximo é, geralmente, maior do que o comprimento focal F (N >F).

Sendo assim, o foco não fica claro, pois não é possível saber com clareza a distância focal F e,

conseqüentemente, onde está localizado realmente o foco da lente. Para isto, tem-se que usar a

fórmula abaixo para determinação da distância focal da lente e saber onde realmente se encontra

o seu foco.

−

−−

=121

1

2

2

1

2

1

VV

VVt

VV

RF c (B1)

F = Distância focal (mm)

cR = Raio de curvatura da lente (mm)

r = D/2 = Raio de abertura da lente (mm) D = Diâmetro de abertura da lente

t = espessura da lente (mm)

1V = velocidade acústica na água ( Vágua = 1,48 km/s)

2V = Velocidade acústica na lente ( Vplexiglass = 2,73 km/s)

156

Observa-se, pela FIG. B5 mostrando a lente plano côncava, que com o aumento do ângulo de

abertura, o foco move-se em direção à lente e a área focal é alargada. Isto reduz a concentração

de energia e a precisão da posição focal.

FOCO FOCO FIGURA B5. Raio r de abertura da lente e raio R de curvatura da lente

Para pequenos diâmetros D de abertura da lente, a espessura t da lente plano côncava (apesar de

existir como mostrado na FIG. B5) é como se não existisse, ou seja, é efetivamente 0(zero) e o

segundo termo da equação acima é eliminado. A equação acima torna-se:

2

11VV

RF−

= (B2)

Por exemplo, no teste de imersão, para ultra som passando através de lentes de plexiglass (V2 =

Vplexiglass = 2,73 km/s) ou lentes de sal de sulfato de lítio (Vsulfato de lítio = 3,0 km/s) e entrando

na água (V1 = Vágua = 1,48 km/s) e cujos R (Raio de curvatura da lente) = 10mm temos:

F = 10/0,458 = 21,80 mm (plexiglaas) e F = 10/0,50 = 20 mm

Para efeitos práticos, quando lente plano côncava é de plexiglass ou de sal de sulfato de lítio a

distância focal F pode ser reduzida a RF 2≈

O cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – focalizado em linha - Raio de curvatura cR = 10 mm

possui uma distância focal F = Z2 ≈ 2 0 mm e d iâmetro méd io focal = Df6x = 3,00 mm

determinados no equipamento XYZ mostrado na (FIG. 99)

157

λ = V/f = 1,48 km/s

4 MHz

= 0,37 mm

DL = 1,22λF = 1,22 x 0,37 x 20

r 10

= 0,90 mm r = raio de abertura da lente

DL = menor diâmetro focal ou limite de difração ou Airy disk of first order.

Na prática, usando como refletor a esfera de Ф = 12,70 m (1/2”) encontrou-se o diâmetro Df6x =

3,00 mm (Diâmetro de valor médio).

O valor limite DL constitui uma restrição ao uso efetivo de lente acústica em baixas freqüências.

Em 1 MHZ o limite de difração ou o menor tamanho do foco é 3,5 mm, que é muito grande,

tornando crítica a detecção de pequenas descontinuidades.

O ganho da lente é calculado pela fórmula abaixo:

22

2 TF

DGp λπ

= (B3)

T = coeficiente de transmissão

R = coeficiente de reflexão

ρ1 = densidade do meio anfitrião. Por exemplo: água = 1,00 x 103 kg/m3

V1 = velocidade do ultra som na água = 1,483 x 103 m/s

Z1 = ρ1V1 = impedância acústica na água = 1,483 x 106 kg/m2.s

ρ2 = densidade do plexiglass (material da lente) = 13,50 x 103 kg/m3

V2 = velocidade do ultra som no plexiglass = 2,73 x 103 m/s

Z2 = ρ2V2 = impedância acústica no plexiglass = 3,25 x 106 kg/m2.s

Rplexiglass na água = 0,14

ρ2 = densidade do sal de sulfato de lítio (material da lente) = 0,534 x 103 kg/m3

V2 = velocidade do ultra som no sal de sulfato de lítio = 3,0 x 103 m/s

Z2 = ρ2V2 = impedância acústica no sulfato de lítio = 1,60 x 106 kg/m2.s

Rsulfato de lítio na água = 0,0014

158

As melhores lentes, ou as lentes que possuem menor fator R de reflexão, são as lentes de sulfato

de lítio, cuja impedância acústica de 1,60 x 106 kg/m2.s é praticamente igual à impedância

acústica da água 1,483 x 106 kg/m2.s resultando em um bom casamento de impedância e o som se

reflete menos de volta como mostrado na. O plexiglass é também usado para lente pois sua

impedância acústica de 3,25 x 106 kg/m2.s é próxima à da água.

As principais desvantagens das lentes acústicas são aberrações e a perda de energia que tem como

causa as reflexões e atenuação do feixe sonoro. As lentes, geralmente são feitas de plásticos

(plexiglass) que possuem coeficiente de reflexão na água R.= 0,14 que é 100 vezes maior que o

coeficiente de reflexão R = 0,0014 do sulfato de lítio na água, ou seja, a lente de sal de sulfato de

lítio transmite 100 vezes mais som que retorna do alvo para dentro do cabeçote do que a lente de

plexiglass. Isto significa, em outras palavras, que as lentes de plástico (plexiglass) atenuam muito

o som.

As seis lentes acústicas de plexiglass, mostrada na FIG. B1, fabricadas no CDTN e acopladas na

frente dos cabeçotes normais planos 1450 Karl Deutsch – 4 MHz e 1421 Karl Deutsch – 4 MHz,

não apresentaram resultados satisfatórios, pois, a prática confirmou a explanação teórica acima,

ou seja, atenuaram muito o ultra-som proveniente dos cabeçotes, provavelmente produziram

também reflexões internas no plexiglass, resultando, quando muito, em fraco e deficiente feixe

sonoro emitido e recebido, impossibilitando a leitura da tela do equipamento devido também a

superposição difusa de ecos no início da tela do equipamento.

Partiu-se então para utilizar cabeçotes que já vêm de fábrica com um dos três modos de

focalização do feixe sonoro (1) material piezelétrico curvo e aterrado (2) lente plano-côncava

cementada a um cristal piezelétrico plano e (3) lente bicôncava colocada em frente do cristal do

cabeçote. Os cabeçotes devem, na prática, possuírem um bem definido campo acústico com

pouco ruído e reduzidas perdas de energia. Nos cabeçotes existe a necessidade de se fixar um

bloco amortecedor atrás do cristal para se obter características de banda larga. Cabeçotes com

focalização em ponto (círculo) e focalização em linha (elipse) são necessários. Em algumas

aplicações especiais, uma lente externa é acoplada em frente ao transdutor plano para focalizar

seu feixe (em ponto ou em linha) e melhorar sua sensitividade. Tais lentes produzem uma certa

quantidade de distúrbio e absorção devido ao uso de borracha vulcanizada (que contém recheios)

no bloco amortecedor (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991,

volume 7, Section 8, part 9, p. 258 a 261)

159

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