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Desenvolvimento de um sistema para inspeção de
componentes a alta temperatura
Paulo Manuel Cruz Meyrelles
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientador: Prof.ª Maria Luísa Coutinho Gomes de Almeida
Júri
Presidente: Prof. Rui Manuel dos Santos Oliveira Baptista
Orientador: Prof.ª Maria Luísa Coutinho Gomes de Almeida
Vogais: Dr. Nuno Miguel Carvalho Pedrosa
Prof. Telmo Jorge Gomes dos Santos
Outubro 2015
i
Agradecimentos
Gostaria, antes de mais, de expressar o meu profundo agradecimento a todos aqueles
que, direta ou indiretamente, me ajudaram na realização deste trabalho, contribuindo de uma
maneira ou de outra para que tenha conseguido alcançar com sucesso o produto final.
Em primeiro lugar, gostaria de agradecer à Professora Luísa Coutinho, minha orientadora, pelo
apoio, convite e oportunidade que me proporcionou de realizar uma tese de Mestrado em
ambiente industrial, numa área da tecnologia mecânica para a qual me cativou através das
suas aulas.
Em segundo lugar, gostaria de agradecer ao Dr. Nuno Pedrosa, responsável pelo
Laboratório de Técnicas Avançadas de Inspecção Não Destrutiva do ISQ, pela possibilidade de
integrar a sua equipa no projeto HiTRUST, pela orientação, paciência e pela oportunidade
única de crescimento pessoal e profissional.
Ao Eng. Hugo Carrasqueira, diretor da área do LABEND, por ter permitido a realização
do meu estágio no ISQ.
Aos colegas José Pedro Sousa e Gonçalo Fazenda da Silva, os meus tutores no estágio
e a quem devo muito do que aprendi, um sincero agradecimento pela orientação, partilha,
amizade e pela sua disponibilidade e paciência diária infinitas. Sem os seus conselhos e a sua
contribuição não teria sido possível chegar ao grau de detalhe a que chegou este trabalho.
Gostaria ainda de agradecer a todos os outros colaboradores do Laboratório, com
especial menção para Liliana Silva, João Nabais, João Borges, Pedro Barros, António Nogueira
e Joana Courinha, por todo o auxílio na fase de desenvolvimento, ajuda na construção, partilha
de conhecimento e pela ajuda nas inúmeras deslocações entre o ISQ e fornecedores.
Não posso deixar de agradecer aos colegas André Cereja, João Amorim, David Alface
Santos e Inês Freitas, pela amizade, apoio e incentivo nos momentos mais difíceis.
Deixo também uma palavra de agradecimento a todos os colaboradores do LABEND,
com especial menção à Ana Cardoso, Patrícia Brito e Patrícia Bernardo, pelo apoio burocrático
e ao técnico Luís Abreu, pela amizada e partilha de conhecimento nos ultra-sons
convencionais.
Ao Eng. Rui Brás, a disponibilidade de deslocação para a realização dos ensaios com
câmara termografica.
Ao grupo Portucel Soporcel, nas pessoas dos Engenheiros Pedro Coelho, Mário Coelho
e Pedro Marta, a possibilidade de realização de testes nas suas instalações da Figueira da
Foz.
Gostaria de deixar também uma palavra de agradecimento às Professoras Inês Pires e
Beatriz Silva, pelo apoio e aconselhamento na escolha do tema.
Aos meus amigos e colegas Simão Nóbrega, Paulo Oliveira, Igor Montes, Diogo
Gonçalves, Rafael Ferreira, David Salvador, Tiago Pinto, Filipe Rei e Roberto pela amizade,
motivação e boa disposição proporcionadas ao longo do tempo.
Quero agradecer também à minha família pelo apoio incondicional.
Por fim, um profundo agradecimento à Raquel, por tudo.
ii
Abstract
Scheduled production shutdowns take part in any industrial company’s maintenance plan
and include high costs associated not only with the inspection and maintenance tasks, but also
with the non-productive time. In what concerns industrial components operating at high
temperature, these costs are much higher since there is a waiting period until the components
are cold enough to be intervened and because of the energy costs related with the re-heating
process.
When in service, Non Destructive Inspection brings many advantages once it allows the
analysis of the components without any change in the production plan. The knowledge about
the state os the components allows the optimization of the maintenance/repair operations
during the shutdowns, reducing its duration and its costs.
This work comprises the design, development and construction of a remotely controlled
system able to perform in service NDT inspection of industrial components with complex
geometry and medium-high diameter pipes (> 270 mm), subject to high temperature operating
conditions (up to 550 °C). The developed scanner aims the inspection and subsequent 2D
mapping of erosion thickness losses and coarse pitting. The developed system is presented as
an innovative and unique solution since it is the first automated inspection system for
components of complex geometry and within this temperature range.
Keywords: ElectroMagnetic Acoustic Transducer (EMAT), high
temperature, thickness mapping, automatized Non Destructive Testing.
iii
Resumo
As paragens de produção para manutenção e reparação fazem parte de todo e qualquer
plano de manutenção fabril e comportam elevados custos associados quer às tarefas de
manutenção/reparação, quer ao tempo não produtivo. Nestas paragens o estado da instalação
é avaliado e, com base no relatório de inspecção são tomadas as devidas medidas correctivas.
Esta inspeção, caso seja efetuada com os componentes em serviço, permite aumentar
de eficiência do plano de operações de reparação da paragem uma vez que permite efectuar
atempadamente o seu planeamento, otimizando o plano de operações e, em consequencia,
diminuir a duração da paragem, diminiuindo os seus custos para a empresa.Para realizar a
insepção, apenas é necessária a remoção do isolamento em torno dos componentes, caso
exista.
O presente trabalho compreende a criação de um sistema de inspeção remotamente
controlado, inovador e único que permitie a inspeção de componentes industriais de geometria
complexa, bem como de tubagens de médio-grande diâmetro (>270 mm) sujeitos a condições
operacionais de alta temperatura (até 550 ºC). O scanner desenvolvido tem como objetivo a
inspeção e posterior mapeamento de perdas de espessura e de pitting grosseiro.
Palavras-chave: Transdutores Acústicos Eletromagnéticos (EMAT), alta
temperatura, mapeamento de espessura, sistema automatizado, Ensaios Não
Destrutivos (END).
iv
Índice
Agradecimentos.............................................................................................................................. i
Abstract .......................................................................................................................................... ii
Resumo ......................................................................................................................................... iii
Índice ............................................................................................................................................. iv
Índice de figuras ........................................................................................................................... vii
Índice de tabelas ........................................................................................................................... xi
Lista de abreviaturas .................................................................................................................... xii
1. Introdução .............................................................................................................................. 1
1.1. Enquadramento............................................................................................................ 1
1.2. Objetivos ...................................................................................................................... 2
1.3. Estrutura da tese .......................................................................................................... 2
2. Estado de Arte ....................................................................................................................... 4
2.1. Introdução .................................................................................................................... 4
2.2. Inspeção não destrutiva ............................................................................................... 4
2.3. Técnicas de inspeção .................................................................................................. 4
2.3.1. Inspeção Visual ....................................................................................................... 5
2.3.2. Correntes Induzidas................................................................................................. 5
2.3.3. Ultra-sons ................................................................................................................ 7
2.3.4. Técnicas avançadas .............................................................................................. 13
2.4. Interpretação de resultados ....................................................................................... 19
2.4.1. A-Scan ................................................................................................................... 19
2.4.2. B-Scan ................................................................................................................... 20
2.4.3. C-Scan ................................................................................................................... 20
2.5. Defeitos ...................................................................................................................... 21
2.6. Notas finais ................................................................................................................ 21
3. Projeto do Sistema e Procedimento Experimental .............................................................. 24
3.1. Introdução .................................................................................................................. 24
3.2. Análise de constrangimentos e requisitos ................................................................. 24
3.3. Projeto do Scanner .................................................................................................... 25
3.3.1. Sonda e Equipamento ........................................................................................... 25
v
3.3.2. Fixação .................................................................................................................. 27
3.3.3. Movimentação ....................................................................................................... 28
3.3.4. Desenvolvimento ................................................................................................... 28
3.4. Proteção contra a alta temperatura ........................................................................... 29
3.4.1. Refrigeração das rodas ......................................................................................... 31
3.4.2. Refrigeração dos Motores ..................................................................................... 32
3.4.3. Proteção e segurança do operador ....................................................................... 33
3.5. Seleção de materiais ................................................................................................. 35
3.5.1. Pegas e base de fixação dos cilindros .................................................................. 35
3.5.2. Tampa inferior ........................................................................................................ 35
3.5.3. Rodas .................................................................................................................... 37
3.6. Controlo da inspeção ................................................................................................. 38
3.6.1. Mala elétrica .......................................................................................................... 38
3.6.2. Mala fluídica ........................................................................................................... 41
3.7. Software ..................................................................................................................... 42
3.7.1. Controlo de posicionamento .................................................................................. 42
3.8. Arquitetura do sistema ............................................................................................... 45
3.9. Notas finais ................................................................................................................ 46
4. Testes, análise e discussão de resultados .......................................................................... 47
4.1. Ensaios laboratoriais .................................................................................................. 48
4.1.1. Velocidade do som ................................................................................................ 48
4.1.2. Lift-off ..................................................................................................................... 49
4.1.3. Sensibilidade ......................................................................................................... 50
4.1.4. Testes em padrão escada ..................................................................................... 54
4.1.5. Testes em padrão com zonas simuladas de perda de espessura ........................ 55
4.1.6. Testes de comportamento da velocidade do som com o aumento da temperatura
57
4.1.7. Verificação das capacidades/limitações do sistema ............................................. 59
4.1.8. Avaliação da resistência do sistema à alta temperatura/Eficiência dos sistemas de
arrefecimento ....................................................................................................................... 60
4.2. Ensaios industriais a frio ............................................................................................ 62
4.2.1. Resultados ............................................................................................................. 63
4.3. Ensaios industriais a quente ...................................................................................... 65
vi
4.3.1. Fundo do impregnador (160 ºC) ............................................................................ 66
4.3.2. Tubagem de baixa pressão (220 ºC) ..................................................................... 67
4.3.3. Dolezal (260 ºC) .................................................................................................... 69
4.3.4. Tubagem de alta temperatura (475 ºC) ................................................................. 71
4.4. Termografia ................................................................................................................ 73
4.4.1. Ensaios térmicos ................................................................................................... 75
5. Conclusões........................................................................................................................... 76
6. Melhoramentos futuros ........................................................................................................ 78
7. Referências .......................................................................................................................... 79
8. Anexos ................................................................................................................................. 81
8.1. Anexo A – Desenvolvimento do Scanner .................................................................. 81
8.1.1. Versão A ................................................................................................................ 81
8.1.2. Versão B ................................................................................................................ 84
8.1.3. Versão C ................................................................................................................ 85
8.1.4. Versão D ................................................................................................................ 89
8.2. Anexo B – Influência da temperatura na atenuação.................................................. 91
8.3. Anexo C – Estado do scanner durante a inspeção dos vários componentes ........... 92
8.4. Anexo D – Termografia do scanner durante a inspeção ........................................... 94
8.5. Anexo E – Temate PowerBox H ................................................................................ 95
vii
Índice de figuras
Figura 1 - Rebentamento de uma caldeira numa fábrica de Noodles em Sandakan, Malásia
(08/2014). Deste acidente resultaram três mortos e elevados prejuízos materiais. ..................... 4
Figura 2 - Esquema ET [5] ............................................................................................................ 6
Figura 3 - Modelo de material com interações interatómicas ....................................................... 7
Figura 4 - Representação de uma onda longitudinal .................................................................... 8
Figura 5 - Representação de uma onda transversal ..................................................................... 8
Figura 6 - Representação de uma onda de Rayleigh ................................................................... 9
Figura 7 - Representação de uma onda Lamb ............................................................................. 9
Figura 8 - Funcionamento dos Ultra-sons ................................................................................... 10
Figura 9 - Decaimento em amplitude da Pressão sonora, P, em função da pressão sonora
inicial, P0, do coeficiente de atenuação,α [dB/m] e da distância [m]. .......................................... 11
Figura 10 - Perdas na transmissão de energia sonora ............................................................... 12
Figura 11 - Reflexão da onda sonora na interface entre materiais de impedância sonora
diferente ....................................................................................................................................... 12
Figura 12 - Diferentes potencialidades do Phased Array ........................................................... 13
Figura 13 - Exemplos de lei focais de PAUT [18] ....................................................................... 14
Figura 14 – Ténica ToFD (em cima); A-Scan ToFD (em baixo). ................................................ 14
Figura 15 - Defeito num cordão de soldadura, A) Defeito linear (e.g. falta de fusão), B) Defeito
volumétrico (e.g. porosidade) ...................................................................................................... 15
Figura 16 – Sonda de EMAT - Uma corrente elétrica (𝐼) percorre a bobina e induz uma corrente
de Eddy ( 𝐽) na superfície. O campo magnético ( 𝐵) do íman permanente interage com a
corrente (𝐼) e origina a Força de Lorenz na superfície ............................................................... 15
Figura 17 – EMAT - Mecanismo de criação de ultra-sons ......................................................... 16
Figura 18 - Magnetostricção ........................................................................................................ 17
Figura 19 – Representação peça, waveguides e sonda ............................................................. 18
Figura 20 - A-Scan (Equipamento Temate PowerBox H) ........................................................... 19
Figura 21 - Peça com furos a simular defeitos e B-Scan respetivo[46] .................................... 20
Figura 22 - B-Scan e C-Scan de peça com 8 zonas circulares que simulam perdas de
espessura[47] .............................................................................................................................. 20
Figura 23 - Perdas de espessura pontuais (pitting) e por erosão ............................................... 21
Figura 28 – Características da Sonda B 2 GVN da GE .............................................................. 22
Figura 29 – Características da Sonda B 2 GVN da GE .............................................................. 23
Figura 24 - Feixe representado no Plano XZ (imagem à direita) e feixe representado no Plano
XY à cota de 70mm (imagem à esquerda) ................................................................................. 26
Figura 25 - Equipamento PowerBox, fabricado pela Innerspect ................................................. 27
Figura 26 - Íman de Samário-Cobalto ......................................................................................... 27
Figura 27 - Conjunto Maxon [50] ................................................................................................ 28
Figura 28 - Controlador Epos 24/2 [50] ....................................................................................... 28
Figura 29 - Versão final - Módulo de transmissão ...................................................................... 29
Figura 30 - Inclinação das rodas para adaptação a geometrias circulares ................................ 29
viii
Figura 31 – Sistema de fichas e conetores de engate rápido: 1) Refrigeração (ar); 2)
Acionamento dos cilindros (ar); 3) Refrigeração das rodas (entrada de água); 4) Ligação
elétrica dos motores; 5) Ligação elétrica da sonda; 6) Refrigeração das rodas (saída de água)
..................................................................................................................................................... 30
Figura 32 - Sistema desenvolvido para fixação da sonda .......................................................... 30
Figura 33 - Sonda montada no sistema de suporte da sonda .................................................... 31
Figura 34 - Roda arrefecida: vista em corte ................................................................................ 31
Figura 35 – Sistema de arrefecimento: Vista explodida ............................................................. 32
Figura 36 – Refrigeração interior através de ar comprimido ....................................................... 32
Figura 37 – Base isolante ............................................................................................................ 33
Figura 38 - Cilindros de auxílio ao desacoplamento: Recolhidos (à esquerda); Acionados (à
direita) .......................................................................................................................................... 33
Figura 39- Esquema Válvula 5/2: 1 - Entrada de ar; 2 - Saida para cilindros; 3 - Escape dos
cilindros; 4 - Sistema de arrefecimento; (5 - Não utilizado-escape dos cilindros)[51] ................ 34
Figura 40 – Sistema de refrigeração das rodas: A) Entrada de água no scanner; B) Entrada de
água na roda direita; C) Saída de água da roda direita; D) Entrada de água na roda esquerda;
E) Saída de água da roda esquerda; F) Saída de água do scanner .......................................... 34
Figura 41 - Tampa inferior - isolamento térmico do scanner ...................................................... 36
Figura 42 - Propriedades do Macor® .......................................................................................... 36
Figura 43 – A) Extremidade exterior; B) Componente central; C) Extremidade interior ............. 37
Figura 44 – Sistema das rodas magnéticas refrigeradas ........................................................... 38
Figura 45 - Malas de controlo ...................................................................................................... 38
Figura 46 – Mala elétrica ............................................................................................................. 39
Figura 47 - Referêncial global XY - Referêncial local xy ............................................................. 40
Figura 48 – Diagrama de funcionamento do sistema de controlo .............................................. 40
Figura 49 – Mala fluídica: A) Depósito da bomba hidráulica; B) Torneira; C) Tomada de água
exterior; D) Manómetro do circuito de água; E) Eletroválvula do circuito de água; F) Válvula
manual do circuito de ar; G) Ficha de ligação à mala eléctrica; H) Manómetro do circuito de ar;
I) Reguladores de caudal do circuito de ar; J) Saída da água para o scanner; K) Tomada de ar;
L) Tomada de água para a bomba; M) Saídas de ar. A bomba de água encontra-se por baixo
dos componentes J,K,L e M. ....................................................................................................... 42
Figura 50 – Transmissão Independente e consequente mudança de direção ........................... 43
Figura 51 – Teclas de comando do scanner ............................................................................... 43
Figura 52 – Transformação das coordenadas dos encoders em coordenadas XY .................... 44
Figura 53 – GUI do programa de controlo: A) Barra indicadora de velocidade; B) Volante
direcional; C) Botão de STOP; D) Indicador do posicionamento da sonda; E) Quadro indicador
das temperaturas; F) Botão de guardar dados e limpar trajetórias; G) Quadro representativo
das trajetórias (Linhas preta e vermelha representam a posição das rodas; linha verde
representa a posição da sonda; o triângulo amarelo é um auxiliar de indicação da direção do
scanner) ....................................................................................................................................... 45
Figura 54 – Arquitetura do sistema de inspeção ......................................................................... 45
Figura 55 – Sistema de inspeção ................................................................................................ 46
ix
Figura 56 - Padrão escada e setup experimental ....................................................................... 48
Figura 57 - Influência do lift-off no sinal sonoro, lift-off de 0mm (à esquerda) 2mm (à direita) .. 49
Figura 58 - Setup experimental dos testes de lift-off - 0mm (à esquerda), com discos
espaçadores de 2mm (à direita) .................................................................................................. 50
Figura 59 - Medição em zona de chapa sã ................................................................................. 51
Figura 60 - Medição do furo Ø15 mm x 2,5 mm ......................................................................... 51
Figura 61 - Padrão com furos de fundo plano ............................................................................. 51
Figura 62 - Medição do furo Ø10 mm x 5 mm (à esquerda), ecos do segundo furo (à direita) .. 52
Figura 63 - Medição de defeito pequeno .................................................................................... 52
Figura 64 - Medição do furo Ø10 mm x 2,5 mm ......................................................................... 53
Figura 65 - Medição do furo Ø10 mm x 2,5 mm + Ø5 mm x 5 mm............................................. 53
Figura 66 - Hote onde foram aquecidos os padrões ................................................................... 54
Figura 67 - Padrão escada .......................................................................................................... 54
Figura 68 - Setup experimental ................................................................................................... 55
Figura 69 - Padrão utilizado nos testes desta tarefa................................................................... 56
Figura 70 - C-Scan de padrão com duas reduções de espessura (à esquerda); zona de
interesse considerada (à direita) ................................................................................................. 56
Figura 71 - C-Scan de padrão com furos de fundo plano (à direita); zona de interesse (à direita)
..................................................................................................................................................... 57
Figura 72 - Termómetro de infravermelhos utilizado .................................................................. 58
Figura 73 - Variação da velocidade da onda transversal em função da temperatura ................ 58
Figura 74 - Adaptação do scanner a pequenas curvaturas ........................................................ 59
Figura 75 - Setup do sistema durante testes de capacidade de tração - levantamento de
jerrican com água ........................................................................................................................ 60
Figura 76 - Scanner na hote de aquecimento ............................................................................. 61
Figura 77 - Scanner sujeito a 320ºC, na hote. Temperatura ao fim de 6 min............................. 61
Figura 78 - Pontos medidos para posterior comparação ............................................................ 62
Figura 79 - Adaptação do scanner a tubagens de diâmetro próximo de limite de projeto -
280mm ......................................................................................................................................... 62
Figura 80 - Alteração de trajetória de inspeção .......................................................................... 63
Figura 81 - Resultados de medição da tubagem ........................................................................ 64
Figura 82 - Zona de inspeção 1 e 2 ............................................................................................ 65
Figura 83 - Resultados medição EMAT no Dolezal .................................................................... 65
Figura 84 - Fato de proteção térmica .......................................................................................... 66
Figura 85 - Inspeção do fundo do impregnador (componente de geometria copada T=160ºC) 67
Figura 86 - Inspeção de tubagem de baixa pressão (220ºC) – Scanner e setup ....................... 68
Figura 87 - Adaptação do scanner a tubagens de reduzido diâmetro - tampa inferior de
isolamento térmico ...................................................................................................................... 68
Figura 88 - Adaptação do porta-sondas a tubagem de reduzido diâmetro - funcionalidade dos
rolamentos frontais ...................................................................................................................... 68
Figura 89 - Inspeção do Dolezal (260 ºC) ................................................................................... 69
Figura 90 - Comparação de resultados a frio vs. a quente na zona 1 (260 ºC).......................... 70
x
Figura 91 - Comparação resultados a frio vs. a quente na zona 2 (260 ºC)............................... 70
Figura 92 – Inspeção e setup do sistema na inspeção de tubagem de vapor sobreaquecido
(475 ºC) ....................................................................................................................................... 71
Figura 93 - Aquisição de sinal na tubagem (A-Scan + B-Scan) ................................................. 72
Figura 94 - Inspeção da tubagem de alta pressão ...................................................................... 74
Figura 95 - Termografia da tubagem de alta pressão ................................................................. 74
Figura 96 - Distribuição de temperatura no Dolezal (260ºC) ...................................................... 74
Figura 97 - Sistema de arrefecimento - temperatura da sonda após inspeção de tubagem
(475ºC) ........................................................................................................................................ 75
Figura 98- Primeira versão do scanner ....................................................................................... 81
Figura 99 - Esquema versão A .................................................................................................... 82
Figura 100 - Roda da versão A ................................................................................................... 82
Figura 101 - Versão B, completa (à esquerda), sem tampa (à direita) ....................................... 83
Figura 102 - Tampa inferior de proteção térmica ........................................................................ 84
Figura 103 - Comparação entre área da base das duas versões ............................................... 85
Figura 104 - Versão C ................................................................................................................. 86
Figura 105 - Versão C (sem tampa) ............................................................................................ 86
Figura 106 - Versão C - Transmissão ......................................................................................... 87
Figura 107 - Esquema Versão C ................................................................................................. 87
Figura 108 - Dispositivo de fixação da sonda ............................................................................. 88
Figura 109 - Comparação entre versões .................................................................................... 88
Figura 110 - Comparação de áreas mortas ................................................................................ 89
Figura 111 - Versão D ................................................................................................................. 90
Figura 112 - A-Scan t=26 ºC ....................................................................................................... 91
Figura 113 - A-Scan t=100 ºC ..................................................................................................... 91
Figura 114 - A-Scan t= 150 ºC .................................................................................................... 91
Figura 115 - A-Scan t= 180 ºC .................................................................................................... 91
Figura 116 - A-Scan t=320 ºC ..................................................................................................... 91
Figura 117 - Estado do scanner durante inspeção da tubagem baixa pressão ......................... 92
Figura 118 - Estado do scanner durante a inspeção do Dolezal ................................................ 92
Figura 119 - Estado do scanner após inspeção de tubagem (475ºC) ........................................ 93
Figura 120 - Estado do scanner durante inspeção da tubagem (ao fim de 5 min) ..................... 93
Figura 121 - Scanner durante a inspeção do Dolezal (260-320 ºC) ........................................... 94
Figura 122 - Temperatura da sonda sem (à esquerda) e com (à direita) sistema de
arrefecimento no momento em que o scanner foi retirado da superficie (em cima) e após 20
segundos (em baixo) ................................................................................................................... 94
Figura 123 - Especificações Temate PowerBox H...................................................................... 95
xi
Índice de tabelas
Tabela 1 - Comparação entre velocidade da onda longitudinal e transversal .............................. 8
Tabela 2 - Características de projeto do protótipo ...................................................................... 25
Tabela 3 - Características da Sonda EMAT de Alta Temperatura 274A0272[49] ...................... 26
Tabela 4 - Frequências da Sonda de EMAT de Alta Temperatura 274A0272[49] ..................... 26
Tabela 5 - Versão final do scanner ............................................................................................. 28
Tabela 6 - Comparação entre pesos dos componentes ............................................................. 35
Tabela 7 - Propriedades do PTFE® (Fonte: CES EduPack 2013) ............................................ 37
Tabela 8 - Velocidade do som no padrão escada ....................................................................... 49
Tabela 9 - Valores medidos nos vários degraus do padrão ....................................................... 55
Tabela 10 - Aumento da atenuação em função da temperatura ................................................ 57
Tabela 11 - Características do sistema desenvolvido................................................................. 60
Tabela 12 - Estado do sistema durante inspeção ....................................................................... 67
Tabela 13 - Estado do sistema durante os testes à tubagem ..................................................... 69
Tabela 14 - Estado do sistema durante os testes ao Dolezal ..................................................... 71
Tabela 15 - Resultados de inspeção à tubagem de saída da caldeira (475 ºC) ....................... 72
Tabela 16 - Estado do sistema durante os testes da tubagem de alta pressão ......................... 73
xii
Lista de abreviaturas
ISQ – Instituto de Soldadura e Qualidade
EMAT – Electromagnetic Acoustic Transducer
END – Ensaios não destrutivos
NDT – Non-destructive testing
Cl – Velocidade da onda sonora longitudinal
Ct– Velocidade da onda sonora transversal
CR– Velocidade da onda de Rayleigh
λ - Comprimento de onda
f - Frequência
PAUT – Phased Array Ultrasonic Testing
ToFD – Time of Flight Diffraction
FL – Força de Lorentz
PEEK - Polyether ether ketone
PTFE - Polytetrafluoroethylene
AC – Corrente alterna
DC – Corrente contínua
Cond. Inic. – Condições iniciais do teste
E - Módulo de Young do material [Gpa]
ρ - Massa específica [Kg/m3]
ν - Coeficiente de poisson.
1
1. Introdução
1.1. Enquadramento
A inspeção não destrutiva consiste num conjunto de técnicas e procedimentos que
permitem avaliar componentes sem induzir qualquer tipo de dano. Como tal, a sua área de
aplicação é extensa, sendo cada vez mais utilizada em controlo de qualidade tanto na indústria
como em operações de construção ou manutenção, onde é usada para encontrar/verificar se
existem defeitos ou descontinuidades. Pode ainda ser utilizada para medição de espessuras e
na caracterização de materiais.
Na indústria, as medições tanto podem ser feitas aos bens produzidos, quantificando e
avaliando a qualidade do processo de fabrico, como também aos próprios equipamentos
industriais, como procedimento de manutenção.
A inspeção periódica de componentes industriais é um procedimento fulcral, na medida
em que permite avaliar o seu estado, dando informações sobre a segurança da instalação e,
recorrendo às leis da mecânica da fratura, permite prever o tempo de vida restante, que pode
ser comparado com a vida útil projetada, fornecendo dados sobre o ponto de funcionamento
real ou até verificar se existem condições para efetuar uma extensão de vida do componente.
Uma correta monitorização dos equipamentos evita grandes custos associados a paragens não
previstas, que se tornam bastante dispendiosas, atingindo facilmente a ordem de grandeza da
centena de milhar de euros/dia numa fábrica de média/grande dimensão. A título de exemplo,
apenas nos EUA, os custos anuais associados a paragens de manutenção/reparação não
previstas são superiores a 5 mil milhões de dólares [1].
Muitas vezes, estes componentes encontram-se em locais de difícil acesso, em
ambientes que não são adequados e/ou que podem ser perigosos para o ser humano (pela sua
toxicidade, composição química, temperatura, humidade, etc.) tornando-se então necessário
automatizar os processos de inspeção.Esta automação não só permite aumentar a velocidade
de inspeção, como também reduzir a probabilidade de erro, uma vez que, regra geral, o
processo implica um elevado número de medições. Assim, não só se aumenta o conforto do
operador que tem a cargo apenas a supervisão e monitorização parcial do processo, como
também o torna mais eficiente e menos moroso, reduzindo os custos associados à não
produção no caso de o componente não poder estar em serviço enquanto é inspecionado.
Se a inspeção puder ser feita com os componentes em serviço,, havendo informação
precisa e exata sobre o estado dos mesmos torna-se possível encomendar atempadamente as
peças de substituição, sem os custos extra associados à urgência, bem como toda a
programação da logística da paragem (número de soldadores necessários, componentes a
substituir, tempo de reparação, sítio de montagem de andaimes, etc.). Este aumento de
eficiencia durante a paragem permite reduzir ainda a sua duração, reduzindo os custos para a
empresa.
2
No caso de componentes que funcionem a alta temperatura, a inspeção em serviço é
ainda mais vantajosa por reduzir os custos de energia associados ao seu reaquecimento.
Nesta situação há uma vantagem acrescida em efetuar a inspeção automática dos
componentes, pelos riscos associados à exposição e contacto quase direto do inspetor com os
equipamentos.
1.2. Objetivos
O trabalho realizado está inserido no projecto HiTRUST (High TempeRatUre
InSpecTion), desenvolvido pelo Instituto de Soldadura e Qualidade (ISQ), pelo grupo Portucel
Soporcel e pela ISPT. Este projeto compreende o desenvolvimento de uma plataforma
integrada de inspeção e monitorização contínua de componentes críticos sujeitos a condições
operacionais de alta temperatura (até 550 °C), com uma gama de espessuras entre os 6 e 40
mm.
O objetivo deste trabalho consiste no projeto, desenvolvimento, construção e validação
de um sistema automatizado e remotamente controlado que permita a inspeção, em serviço,
dos componentes anteriormente referidos, recorrendo a técnicas avançadas de ultra-sons:
técnica EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer).
Neste projeto foram inspecionados diversos equipamentos da instalação fabril da
Soporcel (Figueira da Foz), que apresentam geometrias características de componentes
industriais. Fazem parte do objetivo do projeto a inspeção de:
Tubagens de médio e alto diâmetro (>270mm);
Permutadores de calor (Dolezal);
Fundos copados (Impregnador);
Outras geometrias complexas.
Este trabalho é pioneiro, uma vez que dele resulta o primeiro protótipo de um sistema
automatizado apto para inspeção de componentes de geometria complexa a alta temperatura.
Esta tese não pretende relatar o projeto HiTRUST na sua totalidade, mas sim o trabalho
desenvolvido por mim durante um estágio curricular no ISQ.
1.3. Estrutura da tese
O presente documento segue a seguinte estrutura:
1. Introdução;
2. Estado de arte;
3. Projeto do Sistema e Procedimento Experimental;
4. Testes, Análise e Discussão de Resultados;
3
5. Conclusões;
6. Melhoramentos Futuros.
Após a introdução, será feita no capítulo 2 uma breve descrição das técnicas aplicáveis
de ensaios não destrutivos, bem como de defeitos característicos dos componentes industriais
que são o alvo deste projeto.
O capítulo 3 compreende o desenvolvimento e montagem do protótipo que foi
desenvolvido no âmbito desta dissertação, e o capítulo 4 mostra como foi posteriormente
testado e validado em ambiente laboratorial e industrial.
No capítulo 5 são apresentados os resultados obtidos, bem como as dificuldades
decorrentes da inspeção a alta temperatura.
Por fim, no capítulo 6, são apresentadas as conclusões e uma lista de ações futuras que,
a serem implementadas, permitem melhorar o desempenho do sistema de inspeção
desenvolvido.
4
2. Estado de Arte
2.1. Introdução
No presente capítulo aborda-se o estado de arte dos ensaios não destrutivos, bem como
alguns fundamentos teóricos básicos e uma breve explicação sobre as técnicas que poderiam
ser usadas para a realização da inspeção dos componentes em estudo. Por fim são abordados
os defeitos típicos das geometrias e dos componentes alvo do projeto.
2.2. Inspeção não destrutiva
Embora não exista uma definição de Ensaios Não Destrutivos aceite a nivel global, a
mais frequentemente utilizada pretence à American Society for Non-Destructive Testing
(ASNDT), que admite que “os ensaios não destrutivos compreendem o processo de
inspecionar, testar ou avaliar materiais, componentes ou conjuntos de componentes em busca
de descontinuidades ou variações das características sem interferir com a aplicabilidade de
uma parte ou sistema”1.
Históricamente, a primeira referência aos Ensaios Não Destrutivos remonta a cerca de
6500 A.C., onde foi utilizada para procurar potes de barro defeituosos. No inicio do sec. XX os
END sofreram uma grande evolução com os avanços tecnológicos da Segunda Guerra
Mundial. Desde então, a sua evolução tem sido constante no ramo aplicado à indústria.
Figura 1 - Rebentamento de uma caldeira numa fábrica de Noodles em Sandakan, Malásia
(08/2014). Deste acidente resultaram três mortos e elevados prejuízos materiais.
2.3. Técnicas de inspeção
As técnicas de inspeção não destrutiva recorrem essencialmente em cinco agentes
mecanismos físicos: capilaridade, campo estático, radiação electromagnética, vibração e
1 "Non-destructive testing (NDT) is the process of inspecting, testing, or evaluating materials, components or assemblies for discontinuities, or differences in characteristics without destroying the serviceability of the part or system.”[2]
5
indução.. A interpretação dos resultados é em função do tipo de interação que ocorre entre a
“informação” que é enviada para o componente e a que é posteriormente recebida.
Os métodos de inspeção mais comuns no mercado são[3]:
Líquidos Penetrantes (PT);
Magnetoscopia (MT);
Ultra-sons (UT);
Correntes de Eddy (ET);
Radiografia (RT);
Emissão acústica (AE);
Infravermelhos/Termografia (IRT);
Remote Field Testing (RFT).
Tendo em conta o presente caso, existem várias técnicas que permitem inspecionar os
componentes desejados, cumprindo os objetivos propostos. Em seguida são apresentadas as
várias opções.
2.3.1. Inspeção Visual
A inspeção visual pode ser utilizada individualmente ou em conjunto com os restantes
métodos de ensaio não destrutivo, sendo sempre o primeiro método a ser aplicado em
inspeçao, independentemente da complexidade da peça ou dos restantes ensaios a realizar. A
inspecção visual pode ser um factor de exclusão uma vez que desta podem resultar a rejeição
imediata da peça ou componente, não se chegando a realizar os ensaios subsequentes.
O ensaio consiste na iluminação e posterior observação da peça, que pode ser feita por
via directa ou por indirecta, recorrendo a equipamentos auxiliares (lupas, microscopios,
técnicas de visao artificial, etc.).
No decorrer deste trabalho, e uma vez que os componentes alvo se encontravam em
serviço, havendo apenas acesso pelo lado de fora, esta técnica apenas possibilita visualizar
defeitos na superfície exterior.
2.3.2. Correntes Induzidas
As correntes induzidas são um método de inspeção que tem por base o fenómeno da
indução eletromagnética, descoberta por Faraday em 1831. Os estudos sobre este princípio
prosseguiram em 1879 quando David Hughes estudou a variação das propriedades de uma
bobina quando sujeita ao contacto com materiais diferentes (condutividade e permeabilidade
magnética diferente)[4][5].
Apenas mais tarde, durante a Segunda Guerra Mundial, é que o princípio das ET foi
aplicado à inspeção não destrutiva.
6
Esta tecnologia recorre a um campo magnético variável, criado por uma bobina (sonda),
alimentada com corrente elétrica alternada, para induzir correntes concêntricas (Eddies) na
superfície do material (peça a inspecionar), quando este se encontra na sua vizinhança.
As correntes Induzidas vão originar um segundo campo magnético que interfere com o
campo inicial, resultando em variações na impedância elétrica da espira que podem ser
medidas nos seus terminais. Essa informação permite fazer as medições porque, caso exista
um defeito, o campo magnético secundário sofre alterações, uma vez que a corrente sente
uma “maior dificuldade” em circular e vai sofrer uma mudança de direção no local do defeito
para o contornar, tornando o campo secundário menos intenso.
Figura 2 - Esquema ET [5]
Este método pode ser aplicado em materiais ferromagnéticos e não ferromagnéticos,
apenas tendo como requisito que sejam bons condutores.
A frequência do ensaio é imposta pelo operador e é uma solução de compromisso, uma
vez que, quanto maior for, maior é a sensibilidade a defeitos mas menor é a penetração
(consequência direta do efeito de pele). A penetração também é influenciada pela
condutibilidade e permeabilidade do material.
As correntes induzidas não só detetam defeitos superficiais e sub-superficiais como
também permitem fazer medições de espessura. Em todo o caso, não foram usadas neste
trabalho por não serem eficazes na gama de espessuras requerida porque, à medida que a
frequência diminui (maior penetração), a precisão e a sensibilidade vão sendo reduzidas e,
para espessuras superiores a 2 mm, já se torna impossível fazer medições, ou seja, é
impraticável para a gama de espessuras pretendida. Assim, aqui são apenas brevemente
apresentadas como base para a explicação do funcionamento de técnicas posteriormente
referidas.
7
2.3.3. Ultra-sons
Podem também ser utilizadas técnicas de medida por ultra-sons, onde a energia do
som é usada para deteção de defeitos ou para fazer medições dimensionais. Os ultra-sons são
ondas acústicas de alta frequência superior a 20 KHz, mas as mais usuais encontram-se entre
1 e 15MHz. [6]
Esta técnica surgiu após a 1.ª Guerra Mundial, nos anos 30, quando a realização de
trabalhos experimentais permitiu averiguar que a colisão de ondas sonoras de alta frequência
nas irregularidades presentes nos materiais produzia reflexão de padrões característicos de
eco, visíveis em osciloscópios. A 2.ª Guerra Mundial foi a grande percursora do seu
desenvolvimento enquanto ensaio não destrutivo, onde começou a ser utilizado como meio de
deteção de defeitos, como fendas, porosidades, e outras descontinuidades internas, numa
vasta gama de materiais.
Nesta técnica o som é criado por vibrações elásticas de átomos em torno das suas
posições de equilíbrio e as medições/deteção de descontinuidades são feitas através do estudo
do som refletido, ao incidir num meio com propriedades acústicas diferentes.
Figura 3 - Modelo de material com interações interatómicas
Existem vários métodos e técnicas para fazer uma onda propagar-se num meio sólido,
mas nem todos os formatos de onda são úteis para avaliação de componentes.
Os tipos de onda mais usuais são as ondas longitudinais (vibração paralela à direção de
propagação), transversais (vibração perpendicular à direção de propagação), de Rayleigh
(ondas superficiais - vibrações em órbitas elíticas) e de Lamb.[4]
Em todos os modos, a velocidade de propagação, C, é função do comprimento de
onda, 𝜆 , e da frequência, 𝑓:
𝐶 = 𝜆 𝑓 (1)
2.3.3.1. Ondas Longitudinais
8
Figura 4 - Representação de uma onda longitudinal
As ondas longitudinais são originadas por compressões e rarefações longitudinais,
criadas por forças de compressão e tração. Apenas este tipo de onda se consegue propagar
em gases e líquidos, devido à sua fraca resistência ao corte.
𝐶𝑙 = √𝐸
𝜌
(1−𝜈)
(1+𝜈)(1−2𝜈) ( 2)
2.3.3.2. Ondas Transversais
Figura 5 - Representação de uma onda transversal
As ondas transversais correspondem a vibrações perpendiculares ou oblíquas à direção
de propagação do som. Estas ondas propagam-se de forma mais lenta que as anteriores
(cerca de metade da velocidade).
𝐶𝑡 = √𝐸
𝜌
1
2(1+𝜈) ( 3)
Onda Longitudinal Onda Transversal
Velocidade Velocidade
Material m/s m/s
Ar 330 -
Água 1470 -
Aço 5920 3240
Aço Inox 5660 3120
Alumínio 6320 3130
Tabela 1 - Comparação entre velocidade da onda longitudinal e transversal
9
2.3.3.3. Ondas de Rayleigh
Figura 6 - Representação de uma onda de Rayleigh
As ondas de Rayleigh são vibrações na superfície em que os átomos vibram segundo
uma combinação dos dois modos anteriores, apresentando uma trajetória elítica. A penetração
é da ordem de grandeza do comprimento de onda, portanto são ondas superficiais e são
bastante eficazes na deteção de defeitos superficiais. Estas ondas propagam-se em interfaces
sólido - fluido e, à medida que a espessura aumenta, a elipse torna-se mais esbelta.
𝐶𝑅~0.87+1.12𝜈
1−𝜈√
𝐸
𝜌
1
2(1+𝜈) ( 4)
2.3.3.4. Ondas de Lamb
Figura 7 - Representação de uma onda Lamb
As ondas de Lamb propagam-se, de forma complexa e por toda a espessura,
essencialmente em peças de espessura reduzida. Os modos de vibração mais comuns são o
simétrico e o anti-simétrico.
Para as ondas de Lamb, a fórmula da velocidade de propagação, ao contrário das
anteriores, é também função da espessura do material [8].
2.3.3.5. Ensaio
O setup consiste num equipamento emissor que gera pulsos, normalmente de tensão, e
por um transdutor que os converte em ondas de pressão ultra-sónicas e vice-versa.
As ondas percorrem o material e vão ser refletidas sempre que colidirem com alguma
superfície/defeito ou quando mudarem de meio ou material. O eco é analisado e é medida a
quantidade de energia recebida e são procuradas reflexões não previstas. A medição de
10
espessuras é feita conhecendo a velocidade do som no material inspecionado, e medindo o
tempo entre a emissão das ondas no transdutor e a sua receção do eco. Como as ondas
percorreram uma distância igual ao dobro da espessura, o tempo medido corresponde ao
dobro do tempo real.
Figura 8 - Funcionamento dos Ultra-sons
Nos ultra-sons convencionais, como o som é gerado no cristal piezoelétrico da sonda,
sendo depois transferido para a peça, existe então a necessidade de utilizar um meio acoplante
que permita essa transição com o mínimo de perdas possível
Também é necessário manter uma pressão constante entre a sonda e o componente, o
que muitas das vezes é bastante problemático. Alguns destes problemas são evitados se for
utilizada uma técnica de imersão, em que o componente se encontra dentro de um tanque,
algo que nem sempre é possível dadas as dimensões dos objetos.
Considera-se como piezoelétrico um material que, quando sujeito a uma diferença de
potencial elétrica, se deforme, sendo este efeito reversivel. Nas sondas de ultra-sons, os
cristais piezoelétricos mais comuns são[9]:
Quartzo (SiO2);
Tritanato de Bário (BaTiO3);
Zirconato‐titanato de chumbo (PZT);
Metaniobato de chumbo (PbNb2O6);
Sulfato de lítio (LiSO4);
Niobato de lítio (LiNbO3).
Os ultra-sons convencionais não são passíveis de ser utilizados para medições a alta
temperatura, porque os transdutores piezoelétricos, para temperaturas superiores à sua
temperatura de Curie (normalmente de 200 a 400ºC), despolarizam devido à expansão térmica
[10].
Uma outra restrição é ainda o estado da superfície, tendo esta que estar livre de tinta,
corrosão ou qualquer outro meio que promova a perda de sinal. A limpeza das superfícies pode
11
implicar operações extra de decapagem que podem ser morosas e caras e aumentar o tempo
de paragem das instalações.
A sensibilidade do ensaio depende do comprimento de onda, uma vez que só ocorre a
reflexão da onda se o seu comprimento de onda for inferior ao comprimento do defeito, caso
contrário ocorre a difração.
𝐶 = 𝜆 𝑓 → 𝑓 >2𝐶
𝑙𝑑𝑒𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 ( 5)
A velocidade da onda longitudinal é constante em função do meio, como tal, à medida
que a frequência aumenta, o comprimento de onda diminui, permitindo detetar defeitos
menores.
Por outro lado, à medida que a frequência aumenta, aumentam também as perdas de
energia sonora ao longo do percurso, que têm origem em dois fenómenos:
Absorção: Conversão de energia cinética em calor, resultante do choque entre
partículas;
Dispersão: Reflexões microscópicas em direções diferentes da direção de propagação
da onda.
À medida que o som se propaga no material, por efeito da atenuação (absorção +
dispersão) a amplitude das ondas sonoras vai reduzindo, esta perda de pressão sonora no
material seguem um perfil exponencial dado por:
𝑃 = 𝑃0𝑒−𝛼 𝑑 ( 6)
Figura 9 - Decaimento em amplitude da Pressão sonora, P, em função da pressão sonora inicial,
P0, do coeficiente de atenuação,α [dB/m] e da distância [m].
2.3.3.6. Propagação do som
Quando uma onda sonora encontra uma descontinuidade material ou uma mudança de
meio, onde existe uma diferença de impedâncias sonoras, uma parte da onda é refletida e a
restante é transmitida para o meio seguinte.
12
Figura 10 - Perdas na transmissão de energia sonora
Sejam Zi as impedâncias acústicas dos dois meios, a percentagem de onda refletida é
dada por:
𝑅 =𝑃𝑡
𝑃𝑒=
𝑍2−𝑍1
𝑍2+𝑍1 ( 7)
𝑅 + 𝑇 = 1 ( 8)
Figura 11 - Reflexão da onda sonora na interface entre materiais de impedância sonora diferente
A relação entre os ângulos incidente e refletido é dado pela lei de Snell e é função das
velocidades das ondas longitudinais dos diferentes meios:
𝑠𝑖𝑛 𝜃1
𝐶𝐿1
=𝑠𝑖𝑛 𝜃2
𝐶𝐿2
( 9)
A lei de Snell tem um papel fundamental no estudo dos ultra-sons mas, por neste
trabalho ter sido utilizada uma técnica sem contato, não é abordada em maior detalhe.
2.3.3.6.1. Velocidade do som vs. Temperatura
Como consequência da dilatação térmica, a velocidade do som diminui com o aumento
da temperatura [11]-[13]. Esta redução é justificada pela variação de duas propriedades dos
materiais, o módulo de Young do material (parâmetro principal) e a densidade (parâmetro
praticamente desprezável).
13
Com o aumento da temperatura aumenta igualmente a atenuação. Este aumento é
função do aumento da absorção e apenas pode ser determinado empiricamente, uma vez que
não existe nenhuma forma analítica que permita o seu cálculo[14].
2.3.4. Técnicas avançadas
As técnicas avançadas constituem-se como variantes melhoradas das técnicas
convencionais. Para além da capacidade de armazenamento de dados, o aumento da
sensibilidade dos ensaios e a resolução espacial tornaram as inspecções mais reprodutíveis e
menos dependentes do operador, melhorando significativamente a probabilidade de detecção
de descontinuidades, e consequentemente permitindo melhorar a qualidade e a segurança.
2.3.4.1. Phased Array (PAUT)
A Sonda de PAUT é semelhante à sonda de ultra-sons convencionais mas, ao contrário
desta, é constituída por mais do que um cristal piezoelétrico, ou seja, é um conjunto de
pequenas sondas de UT convencionais que podem ser atuadas de forma independente. Com
uma correta ordem sequencial de atuação, o som emitido pelos vários cristais apresenta
interferências construtivas, o que permite que o feixe possa ser direcionado e guiado. Desta
maneira, alterando o tempo entre disparos dos cristais, é possível deslocar o ponto focal ao
longo de uma linha no plano focal. Para otimizar o processo, esse tempo é controlado por
software. [15]- [17]
Figura 12 - Diferentes potencialidades do Phased Array
14
Figura 13 - Exemplos de lei focais de PAUT [18]
2.3.4.2. Time of Flight Diffraction (ToFD)
A técnica de ToFD consiste no estudo do tempo de voo de um feixe sonoro entre uma
sonda emissora e uma recetora.[19]
A deteção de defeitos é feita através da análise da difração das ondas sonoras de baixa
amplitude nos extremos e nas arestas do defeito, ao contrário das técnicas convencionais de
ultra-sons, que recorrem à reflexão do som.
Figura 14 – Ténica ToFD (em cima); A-Scan ToFD (em baixo).
Esta técnica apresenta desvantagens no que toca ao critério de aceitação uma vez que
apenas é medido o tempo de voo e não a amplitude.[20] Embora seja uma técnica sensível,
apenas se consegue saber o comprimento do defeito, não havendo informação se este é
planar ou volumétrico.
15
Figura 15 - Defeito num cordão de soldadura, A) Defeito linear (e.g. falta de fusão), B) Defeito
volumétrico (e.g. porosidade)
2.3.4.3. EMAT
À semelhança do PAUT e do ToFD, o EMAT é considerado um método avançado de
inspeção por ultra-sons.
A sonda EMAT consiste num íman que cria um campo magnético constante e numa
bobine que, sujeita a uma corrente alternada de elevada frequência, cria um campo magnético
variável de alta frequência, da ordem de grandeza dos Megahertz [21]-[23]. Este campo vai dar
origem a correntes de Eddy, pelo processo já descrito anteriormente. As ondas sonoras são
criadas por vibrações elásticas dos átomos do material e aparecem quando a sonda é
aproximada do componente a inspecionar, onde a interação eletromagnética entre o campo
estático e as correntes de Eddy gera uma força de Lorentz que faz com que a superfície do
material comece a vibrar, criando ondas que se propagam pelo material ou pela superfície
[1],[25] - [29]. O funcionamento da sonda como recetor é análoga, onde a vibração do material
induz na bobine um campo eletromagnético que é posteriormente analisado.
Figura 16 – Sonda de EMAT - Uma corrente elétrica (𝐼) percorre a bobina e induz uma corrente de
Eddy ( 𝐽) na superfície. O campo magnético ( �⃗⃗�) do íman permanente interage com a corrente (𝐼) e origina
a Força de Lorenz na superfície
A B
16
Uma vez que, ao contrário dos ultra-sons convencionais, o som é gerado na própria
peça, não só deixa de ser necessária a utilização de qualquer meio acoplante, como também
as operações de limpeza de superfície deixam de ser necessárias por não haver contacto,
permitindo fazer medições e avaliações de componentes pintados, revestidos, corroídos e a
alta temperatura [30][31]. A única propriedade exigida ao componente a inspecionar é que este
seja condutor.
As desvantagens desta técnica prendem-se com a impossibilidade de deteção de
defeitos superficiais e subsubperficiais [32], tal como acontece em grande parte das técnicas
de UT, mas também com a sua fraca resolução.
As vibrações na peça a inspecionar podem ser criadas por dois efeitos diferentes: Força
de Lorentz e Magnetostricção.
2.3.4.3.1. Força de Lorentz
A Força de Lorentz, F, é o principal mecanismo criador de vibrações na peça. Esta força
é criada pela interação entre a densidade de correntes dinâmicas (induzidas), J, e o campo
magnético estático.
�⃗� = 𝐽 × �⃗⃗� ( 10)
Enquanto que, nos materiais não magnéticos, a Força de Lorentz (FL) é o único
interveniente na criação da onda, nos materiais magnéticos a magnetostricção também
contribui e, associada à força de Lorentz, introduz forças suplementares que permitem que o
sinal tenha melhor amplitude e melhor rácio sinal/ruído.
Se o material do componente a inspecionar possuir boa condutividade elétrica, a FL é o
mecanismo mais forte e é auxiliado pela magnetostricção se o material possuir uma boa
permeabilidade magnética. Caso a permeabilidade magnética seja fraca, a FL é o único
mecanismo criador da onda [33][34].
Figura 17 – EMAT - Mecanismo de criação de ultra-sons
17
2.3.4.3.2. Magnetostricção
Nos materiais com excelente permeabilidade magnética e fraca condutividade eléctrica,
a magnetostricção é o mecanismo mais forte de criação de ondas sonoras.
As vibrações induzidas por magnetostricção são criadas com uma energia mais baixa (o
campo magnético necessário para as criar é mais fraco) do que a necessária para as vibrações
causadas pela força de Lorentz. Como tal, o gerador de impulsos pode ser mais fraco do que o
usado para o tipo anterior.
Os campos magnéticos induzidos pela variação das correntes de Eddy na superfície do
material dão origem a forças dinâmicas paralelas ao fluxo magnético. Estas vibrações são
criadas pela distorção paralela ao campo aplicado, criada pelo alinhamento dos dipolos
magnéticos do material que anteriormente se encontravam em equilíbrio, mas de maneira
aleatória. O aumento do comprimento, e, origina as vibrações mecânicas que se propagam
pela peça.
Figura 18 - Magnetostricção
O mecanismo magnetostrictivo, quando comparado com o anterior, apresenta a
vantagem de ser menos exigente quanto à limpeza das superfícies, mas apresenta a
desvantagem de estar sujeito à saturação magnética do material[33].
2.3.4.3.3. Lift-Off
O lift-off representa a distância entre a sonda - peça/componente a inspecionar e, a nível
de hardware, representa um dos parâmetros operativos com maior influência na
qualidade/amplitude do sinal. Uma vez que no mecanismo de criação de ultra-sons é
necessária uma interação eletromagnética entre a sonda e a peça, o aumento desta distância é
prejudicial para o sinal, baixando a eficiência da sonda. [28] [37]. Por outro lado, se a distância
for demasiado reduzida, o sinal fica instável, visto que uma pequena variação do lift-off,
causada por vibração do sistema ou por alguma pequena irregularidade na superficíe, leva a
uma grande variação do sinal. Em suma, o lift-off deve ser uma solução de compromisso entre
amplitude e estabilidade.[38][39] .
18
2.3.4.3.4. Outras opções
Existem outras opções para inspeção por ultra-sons sem contacto, como por exemplo
recorrendo a sistemas convencionais com waveguides ou sistemas híbridos que utilizam uma
sonda EMAT e Laser. Ambas permitem inspeção de componentes a alta temperatura mas não
foram utilizadas por não se verificarem rentáveis.
2.3.4.3.4.1. Waveguides
Esta opção consiste em utilizar as técnicas de ultra-sons convencionais mas de maneira
a que não entrem em contacto direto com a peça. Nesta técnica, o recetor e o emissor são
ligados a componentes metálicos denominados waveguides que transmitem o som para a peça
e devolvem o seu eco [10][40].
Figura 19 – Representação peça, waveguides e sonda
Por não ser um sistema barato, esta opção apresenta desvantagens económicas e, para
a aplicação em questão, existe ainda a necessidade de utilizar waveguides com grande
comprimento para que a sonda esteja suficientemente afastada da superfície a alta
temperatura, o que origina um aumento de dispersão do sinal na waveguide. Outra
desvantagem desta técnica prende-se com as grandes perdas de energia que ocorrem nas
interfaces entre a waveguide e o cristal. Não existem grandes perdas na interface peça-
waveguide, uma vez que estas são soldadas ao componente.
Existem no mercado opções que usam esta técnica (PERMASENSE® [41]) que
permitem a monitorização contínua de componentes industriais, inclusive com transmissão de
dados sem fios em tempo real. Para além da desvantagem económica, por ser
substancialmente mais caro (cerca de uma ordem de grandeza), apresenta ainda a
desvantagem de não inspecionar todo o volume do componente, apenas inspecionando
pontualmente, na coordenada onde estiverem soldados.
2.3.4.3.4.2. Laser-EMAT
A temperaturas superiores à temperatura de Curie do material inspecionado, a sonda
EMAT deixa de poder funcionar como emissor, podendo continuar a funcionar como recetor.
19
Nesse caso, pode ser utilizado um sistema sistema hibrido laser–EMAT que recorre a
uma sonda EMAT como recetor e a um laser que cria ultra-sons através de ondas
termoacústicas, criadas pela sua incidência na superfície do componente a inspecionar
[22],[25][43].
As desvantagens do laser prendem-se com o elevado custo, com necessidade da
superfície ter de estar limpa e com o facto de o laser, ao incidir na peça, produzir todo o tipo de
ondas, o que para medições de espessuras não é desejável [25] [42]. Como tal, regra geral,
apenas se recorre a este sistema híbridro quando as temperaturas não permitem o uso do
EMAT puro (~700ºC para a inspeção de um aço comum). Esta técnica levanta ainda problemas
associados à segurança, à formação de operadores e à elevada dependência do estado da
superfície (quando comparado com apenas EMAT [28][23]).
O laser, ao incidir na peça, muitas vezes deixa uma pequena marca (da ordem de
grandeza da dezena de microns [44]). Em aplicações fabris em que a inspeção é feita entre
operações intermédias, não existe qualquer problema mas, nalgumas inspeções feitas a
produtos finais ou a componentes industriais, esse dano pode já não ser desprezável, podendo
já não ser considerado um ensaio não destrutivo.
2.4. Interpretação de resultados
Quando são usadas técnicas de ultra-sons, que é o presente caso, a
interpretação/visualização de resultados é maioritariamente efetuada através de três modos de
análise de resultados: A-Scan, B-Scan e C-Scan [17].
2.4.1. A-Scan
O A-Scan representa uma vista do sinal num gráfico Amplitude vs. Tempo, permitindo a
visualização de resultados através de uma análise unidirecional (sentido da espessura) [45].
Figura 20 - A-Scan (Equipamento Temate PowerBox H)
20
2.4.2. B-Scan
O B-Scan permite uma análise gráfica bidimensional onde é representado o
comprimento (eixo X) vs. tempo, ou seja, corresponde a uma vista em corte ao longo de uma
linha inspecionada.[46]
Figura 21 - Peça com furos a simular defeitos e B-Scan respetivo[46]
2.4.3. C-Scan
O C-Scan compreende uma vista de topo perpendicular à área inspecionada, ou seja, a
cada ponto e a cada linha do C-Scan correspondem um A-Scan e um B-Scan, respetivamente.
Enquanto que o B-Scan permite facilmente determinar a profundidade e tamanho de um
defeito (segundo a direção de aquisição de dados), o C-Scan permite, através de um
mapeamento, determinar o seu tamanho bem como a delimitação de zonas onde ocorreu uma
alteração geométrica, i.e., uma perda de espessura. Da conjugação dos dois é possível
determinar a morfologia e dimensão de qualquer refletor[47].
Figura 22 - B-Scan e C-Scan de peça com 8 zonas circulares que simulam perdas de
espessura[47]
21
2.5. Defeitos
Durante o processo de fabrico ou mesmo em serviço, os componentes podem
desenvolver defeitos que, se não forem encontrados e avaliados, podem levar a falhas
inesperadas.
Os defeitos podem ter diversas origens, resultando das condições a que os
equipamentos estão sujeitos em funcionamento ou de técnicas/procedimentos operatórios
incorretos no fabrico, na manutenção ou na sua reparação, sendo a busca dos mesmos o que
motiva as inspeções não destrutivas.
É frequente aparecerem vários tipos de defeitos em componentes industriais:
Defeitos associados à ligação entre componentes (soldadura): o Faltas de fusão; o Bordos queimados;
Fissuras;
Corrosão; o Localizada (pitting); o Corrosão sob tensão;
Erosão (perda de espessura);
Etc.
Na presente aplicação e tendo em conta as características dos componentes-alvo do
projeto, os defeitos que são possveis encontrar são:
Pitting;
Zonas com perda de espessura (erosão criada por escoamento de material abrasivo misturado com os produtos e subprodutos da transformação de madeira);
Corrosão;
Defeitos volumétricos no interior do material.
Os processos de corrosão resultam de reações heterogéneas (oxidação-redução) que
ocorrem na superfície do material, quando é exposto a um ambiente corrosivo.
Figura 23 - Perdas de espessura pontuais (pitting) e por erosão
2.6. Notas finais
Resumindo o que foi abordado neste segundo capitulo, pode–se concluir que a inspeção
automatizada de componentes, em serviço, a alta temperatura, é uma mais valia para a
22
entidade com componentes a inspecionar, por permitir um aumento de eficiência e uma
otimização do seu plano de manutenção.
Não existindo actualmente nenhum sistema que permita mapear todo o volume dos
componentes críticos já referidos, numa gama de temperaturas de serviço até aos 550º C, o
resultado deste trabalho permitirá desenvolver um sistema inovador e único.
Sistemas como o Permasense, anteriormente referido, e outros sistemas para controlo de
qualidade in line de bens produzidos (geralmente na indústria metalúrgica) são frequentemente
aplicados à indústria, mas existem sistemas automatizados para inspeção não destrutiva de
componentes sujeitos a condições operacionais de alta temperatura que cumpram os objetivos
deste trabalho. No entanto, alguns fabricantes comercializam sondas que permitem
inspecionarnessas condições. São exemplos a sonda B 2 GVN da GE, SEB 4 KV da GE e
sondas EMAT alta temperatura da Innerspect
Figura 24 – Características da Sonda B 2 GVN da GE
23
Figura 25 – Características da Sonda B 2 GVN da GE Analisando todas as sondas disponiveis no mercado (fabricadas pela GE, Olympus, Innerspect,
entre outros) é possível concluir que apenas as sondas EMAT da Innerspect permitem alcançar
os objectivos pretendidos, pelo que foram as opções utilizadas.
24
3. Projeto do Sistema e Procedimento Experimental
3.1. Introdução
Este capítulo compreende as fases de projeto, desenvolvimento e montagem de todo o
sistema.
Em primeiro lugar foi necessário identificar os componentes e as características das
zonas a inspecionar. Para tal, foi necessário modelar em CAD os componentes para dar início
ao projeto do sistema.
Em segundo lugar deu-se início ao processo de avaliação das restrições e dos
constrangimentos, e posteriormente ao desenvolvimento e construção de um scanner que os
permita cumprir.
3.2. Análise de constrangimentos e requisitos
Durante a avaliação dos componentes a inspecionar, chegou-se à conclusão que o
scanner a desenvolver teria que respeitar alguns requisitos, nomeadamente:
Resistência a alta temperatura de modo a ter a capacidade para inspecionar
componentes em serviço com gama até 550 ºC.
Realizar inspeção automática para evitar/reduzir a exposição humana às altas
temperaturas.
Dimensões reduzidas: otimização das dimensões do protótipo (comprimento,
largura e altura) de modo a que este seja capaz de ultrapassar/contornar obstáculos e
constrangimentos que estejam presentes nos equipamentos a inspecionar e para que a área
não inspecionada junto desses constrangimentos seja a menor possível. Houve, também, a
necessidade de garantir a possibilidade de efectuar inspeções na posição vertical ou invertida.
Registo e tratamento de dados, fazer registo dos valores de espessura obtidos
e construir um mapa 2D.
Com os requisitos definidos, foram levantadas determinadas características que o
scanner teria que possuir para que os pudesse cumprir. Na Tabela 2, estão presentes as
principais características do protótipo.
25
Tabela 2 - Características de projeto do protótipo
3.3. Projeto do Scanner
3.3.1. Sonda e Equipamento
Para o sistema desenvolvido utilizou-se uma sonda comercial de alta temperatura,
fabricada pela Innerspect ®[48]. O íman permanente desta sonda é reforçado com metais
raros, Samário-Cobalto, o que lhe confere uma força equivalente a um íman de Neodímio mas
com uma temperatura de Curie superior (temperatura a que o material perde as suas
propriedades magnéticas), permitindo, deste modo, a inspeção de componentes a elevada
temperatura sem se danificar.
O sistema de fixação da sonda ao scanner a desenvolver não só tem de possuir
propriedades isolantes para a proteger das altas temperaturas, como também tem de permitir o
seu ajuste angular, para que esta se adapte às geometrias dos componentes a inspecionar.
O processo de seleção da sonda foi simples, uma vez que das duas sondas de alta
temperatura comercialmente disponíveis pela Innerspec, foi escolhida a Sonda 274A0272 por
apresentar melhor rácio sinal/ruído[49].
26
Tabela 3 - Características da Sonda EMAT de Alta Temperatura 274A0272[49]
Tabela 4 - Frequências da Sonda de EMAT de Alta Temperatura 274A0272[49]
Figura 26 - Feixe representado no Plano XZ (imagem à direita) e feixe representado no Plano XY à
cota de 70mm (imagem à esquerda)
O equipamento de tratamento de sinal utilizado, também adquirido à Innerspect® [49], é
o Temate PowerBox H. Não são apresentadas alternativas à escolha do equipamento, uma vez
que é o único equipamento comercial portátil de geração de sinal para EMAT.
27
3.3.2. Fixação
A alta temperatura introduz problemas associados à fixação do equipamento aos
componentes a inspecionar, uma vez que impossibilita a fixação com certos mecanismos,
como por exemplo ventosas, e as constantes variações geométricas impossibilitam uma
fixação rígida (por um aro ou estrutura que envolva o componente).
Uma vez que, durante a inspeção de alguns componentes, o scanner tem de percorrer
áreas na vertical e invertido, a única opção possível é recorrer a rodas magnéticas, cujo campo
magnético é uma solução de compromisso entre a força suficiente para suportar o peso próprio
em função da alta temperatura (uma vez que, com o aumento da temperatura, os materiais
desmagnetizam), e a força que os motores conseguem transmitir. Esta também tem de ser
ponderada, uma vez que, se for muito desmultiplicada, a velocidade de inspeção torna-se
reduzida, levando a um aumento do tempo de inspeção, o que implica uma maior exposição do
equipamento às altas temperaturas, diminuindo assim o tempo de vida útil da sonda, do
equipamento e implicando um maior volume de fluido de refrigeração a ser transportado e
bombeado para manter uma temperatura do veículo estável e dentro dos valores
recomendados pelos fabricantes dos vários componentes que o constituem.
Figura 28 - Íman de Samário-Cobalto
Figura 27 - Equipamento PowerBox, fabricado pela Innerspect
28
3.3.3. Movimentação
Para o acionamento do scanner foram usados dois conjuntos Maxon® (motor +
engrenagem + encoder), acionando um deles a roda do lado direito e o outro a roda do lado
esquerdo. A existência de dois motores possibilita uma transmissão independente, que permite
que o veículo descreva tanto trajetórias lineares como não lineares e/ou desviar-se de
obstáculos que apareçam no caminho de inspeção como manómetros, picagens, entre outros.
O controlo dos dois motores é feito recorrendo a dois controladores Maxon® 24/2. Este
dispositivo permite controlar um motor, quer em posição, quer em velocidade.
3.3.4. Desenvolvimento
O procedimento de otimização do scanner consistiu num processo iterativo, juntando no
final os pontos fortes de todas as versões, com os melhoramentos adequados. As várias
iterações encontram-se presentes no Anexo A sendo apenas apresentada neste capítulo a
versão final do scanner.
Tabela 5 - Versão final do scanner
Figura 29 - Conjunto Maxon [50]
Figura 30 - Controlador Epos 24/2 [50]
29
Esta versão difere da E, em anexo, pela introdução um grau de liberdade nas rodas,
permitindo o seu ajuste angular para melhor adaptação a superfícies não planares. Esta
alteração foi feita tendo em vista a otimização da tração em tubagens e outros componentes
cilíndricos de baixo raio de curvatura.
Figura 31 - Versão final - Módulo de transmissão
Foram ainda melhoradas as capacidades de resistência às altas temperaturas, de modo
a possibilitar, em regime contínuo, um contacto mais prolongado com superfície sem
sobreaquecimento.
3.4. Proteção contra a alta temperatura
O conceito da caixa superior também foi alterado, servindo agora apenas para proteção
contra colisões. Os cabos elétricos, hidráulicos e pneumáticos encontram-se agora fixos a uma
chapa central. Para facilitar o processo de transporte, é possível desconetar a tubagem através
de sistemas de engate rápido, sem que seja necessária a remoção da caixa.
Figura 32 - Inclinação das rodas para adaptação a geometrias circulares
30
Figura 33 – Sistema de fichas e conetores de engate rápido: 1) Refrigeração (ar); 2) Acionamento dos cilindros (ar); 3) Refrigeração das rodas (entrada de água); 4) Ligação elétrica dos motores; 5) Ligação
elétrica da sonda; 6) Refrigeração das rodas (saída de água)
Para o arrefecimento da sonda, foi desenvolvido um sistema de suporte arrefecido a
água que garante que a sonda funcione dentro da gama de temperatura recomendada pelo
fabricante. Ao mesmo tempo, este sistema auxilia a fixação do scanner à superfície através de
um íman, a azul na Figura 34.
Figura 34 - Sistema desenvolvido para fixação da sonda
1 2
3
4 5
6
31
Figura 35 - Sonda montada no sistema de suporte da sonda
Em torno da sonda está montada uma tampa em PEEK®, um polímero isolante
resistente a alta temperatura.
3.4.1. Refrigeração das rodas
O sistema de refrigeração das rodas magnéticas consiste num circuito fechado, onde a
água entra por uma das extremidades e sai pela outra. Durante o percurso interno, a água
refrigera o íman, permitindo deste modo que se mantenha abaixo da sua temperatura de Curie.
Figura 36 - Roda arrefecida: vista em corte
32
Figura 37 – Sistema de arrefecimento: Vista explodida
3.4.2. Refrigeração dos Motores
Para refrigerar os motores foi concebido um sistema de refrigeração através de ar
comprimido, o qual consiste numa mangueira com vários furos que são responsáveis por
distribuir o ar por uma maior área do scanner. O ar comprimido, proveniente da rede da
instalação, ao sair da mangueira, está sujeito à pressão atmosférica, pelo que irá expandir.
Esta expansão tem associada uma libertação de calor latente, que leva ao arrefecimento do ar,
algo que por sua vez permite um aumento de eficiência do sistema de arrefecimento, dado que
o calor extraído por conveção é linearmente proporcional à diferença de temperatura entre a
peça e o ambiente envolvente. [53]
Figura 38 – Refrigeração interior através de ar comprimido
O outro componente que ajuda no isolamento térmico protegendo os motores da alta
temperatura é a base isolante da Figura 39.
33
Figura 39 – Base isolante
Esta base, através do efeito de caixa de ar, isola a zona do scanner que fica mais
próxima da superfície do componente que está a ser inspecionado.
Este componente, devido ao facto de ser mais frágil que o resto dos materiais que
constituem o scanner, foi desenvolvido com paredes com elevada espessura. Ao mesmo
tempo, de modo a tornar o conjunto mais leve, foi removida a maior quantidade possível de
material do seu interior.
3.4.3. Proteção e segurança do operador
Para aumentar o grau de segurança e diminuir a exposição humana às altas
temperaturas, foram introduzidos cilindros pneumáticos que auxiliam a operação de extração
do scanner da superfície dos componentes. A força exercida pelos cilindros foi ponderada, de
maneira a que seja próxima mas nunca igual ou superior à força de fixação exercida pelos
ímans das rodas. Para retirar o scanner da superfície é sempre necessária a intervenção do
operador. Deste modo evita-se que o scanner caia sempre que seja atuado. No caso de
inspeção ao teto ou de paredes verticais, este é um fator de extrema importância.
Figura 40 - Cilindros de auxílio ao desacoplamento: Recolhidos (à esquerda); Acionados (à direita)
Cilindros Pneumáticos
34
A introdução dos cilindros pneumáticos originou um aumento da área da base do
scanner que, embora não siga os vetores tomados durante o processo de otimização,
constituiu uma decisão em prol da segurança.
Estes cilindros são atuados através de um sistema de ar comprimido, que neste caso é o
mesmo a ser usado para a refrigeração dos motores.
O controlo dos cilindros é feito recorrendo a uma válvula 5/2 em que, na sua posição
atuada, permite a passagem de ar da fonte (compressor) para os cilindros pneumáticos e, na
segunda posição, permite a passagem de ar da fonte (compressor) para o sistema de
arrefecimento. O escape de ar dos cilindros é impelido pela força da mola interna que
proporciona o retorno da haste.
Figura 41- Esquema Válvula 5/2: 1 - Entrada de ar; 2 - Saida para cilindros; 3 - Escape dos
cilindros; 4 - Sistema de arrefecimento; (5 - Não utilizado-escape dos cilindros)[51]
Figura 42 – Sistema de refrigeração das rodas: A) Entrada de água no scanner; B) Entrada de
água na roda direita; C) Saída de água da roda direita; D) Entrada de água na roda esquerda; E) Saída de
água da roda esquerda; F) Saída de água do scanner
A
B
35
Neste sistema, a água entra no scanner através de um conetor de passagem colocado
na base das fichas que está ligado a uma mangueira (A). Posteriormente, a água percorre as
duas rodas num circuito em série (primeiro a roda direita e depois a esquerda). As ligações
entre as mangueiras e os diversos componentes são efectuadas por acessórios de engate
rápido. Depois da saída da segunda roda, a água é devolvida ao exterior, saída através do
conetor de saída colocado na base das fichas (F).
A opção da refrigeração em série das rodas, em detrimento de uma montagem em
paralelo, apresenta desvantagens ao nível da eficiência de refrigeração, uma vez que à entrada
da segunda roda, o fluido encontra-se mais quente por ter extraído calor no primeiro conjunto
de rodas. No entanto, esta opção foi tomada para garantir que o caudal que passa pelas duas
rodas é o mesmo, o que podia não acontecer quando o scanner estivesse inclinado ou
invertido. A desvantagem da diferença de temperaturas nas duas rodas foi colmatada pelo
aumento do caudal de refrigeração, que contraria esta tendência.
3.5. Seleção de materiais
O scanner foi, maioritariamente, construído em aço inox, para suportar o ambiente
corrosivo a que estará sujeito. No entanto, foram feitas algumas exceções:
3.5.1. Pegas e base de fixação dos cilindros
Com o objetivo de poupar peso, as pegas e a base de fixação dos cilindros foram
fabricadas em alumínio, algo que se torna altamente relevante durante inspeções em posição
invertida.
Peso dos componentes [g]
Aço Alumínio Diferença
Pega 142 52 90
Suporte Pega 90 33 57
Espaçador dos cilindros 53 18 35
Tabela 6 - Comparação entre pesos dos componentes
3.5.2. Tampa inferior
Com o objetivo de proteger termicamente todo o scanner, foi introduzida na sua parte
inferior uma base isolante.
Foram maquinadas duas tampas inferiores em diferentes materiais, uma em MACOR® e
uma em PTFE.
O MACOR® foi escolhido por ser um cerâmico facilmente maquinável com excelentes
propriedades refratárias e térmicas (baixa condutibilidade térmica e alta resistência à radiação)
[52], aguentando temperaturas de serviço superiores a 800ºC. No entanto, o comportamento
frágil inerente aos materiais cerâmicos levou a que fosse maquinada uma segunda tampa em
36
Teflon® (PTFE) que, embora apenas possa ser utilizada até aos 260ºC, permite uma
resistência muito maior a choques e quedas. Passam então a existir duas configurações do
scanner, uma para uma gama de temperatura até 260º e uma outra até aos 800ºC.
A fixação da tampa ao scanner é feita por ligação mecânica, tendo sido inseridos
casquilhos roscados de latão em orifícios previamente maquinados.
Figura 44 - Propriedades do Macor®
Figura 43 - Tampa inferior - isolamento térmico do scanner
37
Módulo de Young 0,55 GPa
Coef. Poisson 0,46 -
Tensão de cedência 21,7 MPa
Tensão de rotura 34,5 MPa
Ponto de fusão 339 ºC
T. transição vítrea 130 ºC
T. max serviço 271 ºC
T. min serviço -200 ºC
Cond. térmica 0,261 W/m.ºC
Coef. expansão térmica 170 ºC¯¹ Tabela 7 - Propriedades do PTFE® (Fonte: CES EduPack 2013)
3.5.3. Rodas
Para garantir uma melhor fixação entre o scanner e o componente a inspecionar, foi
necessário garantir que as rodas auxiliavam o íman de samário-cobalto, funcionando como
ímans temporários, magnetizadas pelo íman permanente. Para tal, foi escolhida uma liga inox
ferrítica devido às suas propriedades magnéticas.
Figura 45 – A) Extremidade exterior; B) Componente central; C) Extremidade interior
Os três componentes são feitos de aço inox ferrítico. Deste modo, o magnetismo dos
ímans propaga-se a estes elementos, fazendo com que a força de atração das rodas do
scanner à superfície a inspecionar seja maior.
A B
C
38
Figura 46 – Sistema das rodas magnéticas refrigeradas
3.6. Controlo da inspeção
Para controlar o processo de inspeção foram criadas duas malas de controlo, uma com
todos os componentes elétricos e eletrónicos e uma segunda com toda a parte fluídica. As
malas comunicam entre si através de um cabo elétrico que permite a transferência de dados e
ligam-se ao scanner através de um umbilical por onde passam os cabos elétricos de
alimentação e controlo de motores, os cabos dos termopares e as mangueiras de ar
comprimido e de água para arrefecimento.
Figura 47 - Malas de controlo
3.6.1. Mala elétrica
A mala elétrica tem como função o comando do scanner. A nível de hardware os seus
constituintes são:
A
39
Cartas Maxon: Controladores dos dois motores do scanner;
CompacRio: Dispositivo auxiliar de cálculo de coordenadas;
DataHub: Dispositivo que permite a interface PowerBox-PC, exportando no fim da
aquisição um documento com as coordenadas e o valor da espessura medido;
Hub: Dispositivo que permite ligar em rede o PC, a CompactRio, o DataHub e o
equipamento PowerBox;
Transformador elétrico 24V: converte 220V AC para 24 DC, permitindo alimentar as
cartas de controlo, a CompactRio, as ventoinhas internas de arrefecimento e as eletroválvulas
da mala fluídica;
Transformador eléctrico 5V: para alimentação do Hub e do DataHub.
A mala permite ainda controlar o estado das eletroválvulas e da bomba da mala elétrica
e alimentar o PC e o PowerBox, através das duas tomadas no canto superior esquerdo.
As comunicações com o exterior são feitas através de fichas LEMO, que permitem que
sistema seja modular e facilmente transportável.
Figura 48 – Mala elétrica
Tal como identificado na figura anterior, esta mala é composta pela CompactRIO (A),
placas maxon (B), pelo transformador de 24V (C), pelo DataHub (D), pelo transformador de 5V
(E) e pelo Hub (F)
3.6.1.1. Posicionamento global
Uma das funcionalidades da mala prende-se com o cálculo do posicionamento global do
scanner.
A
B
C
E
D
F
40
Em tempo real, os controladores de posição do scanner recebem e analisam os dados
dos encoders dos motores que permitem calcular a distância percorrida mas não a posição do
scanner no referencial do componente a inspecionar. Torna-se então necessária a conversão
do sinal dos encoders dos motores em cordenadas XY globais, independentes do referencial xy
do scanner.
Este cálculo é efetuado pela CompactRio, montanda na mala, que posteriormente simula
uma onda quadrada referente a um encoder virtual XY que é enviada para o equipamento
PowerBox, para a criação, por exemplo, do C-scan.
Figura 49 - Referêncial global XY - Referêncial local xy
Figura 50 – Diagrama de funcionamento do sistema de controlo
41
3.6.1.2. Monitorização da temperatura do sistema
Para a monitorização da temperatura do scanner foram introduzidos termopares em
zonas críticas com o objetivo de monitorizar o seu estado e avaliar a ocorrência de
sobreaquecimento, que poderia levar à falha dos vários componentes do sistema.
Os locais monitorizados são:
Base do scanner;
Motor direito;
Motor esquerdo;
Sistema de fixação da sonda;
Água de arrefecimento (mala fluídica);
Transformador 24 Volt (220 V AC para 24 V DC);
CompacRio.
Os resultados das medições são avaliados pela CompacRio e são apresentadas no
software de interface com o utilizador.
3.6.2. Mala fluídica
Na mala fluídica, ilustrada na
Figura 51, encontram-se todos os sistemas de controlo dos mecanismos auxiliares
pneumáticos e hidráulicos:
Subsistema de abastecimento de água de arrefecimento;
Subsistema de ar comprimido.
O subsistema de abastecimento de água de arrefecimento é constituído por uma entrada
de engate rápido seguida de filtro de linha, uma bomba, um balão pressoestático, uma
derivação para entrada de água da rede, um manómetro, uma eletroválvula de controlo e a
saída de engate rápido para o scanner.
A explicação da existência de duas entradas de água no subsistema anteriormente
referido prende-se com a possibilidade de, na periferia do local de inspeção, não existir
nenhuma tomada de água da rede ou esta não ter pressão suficiente, o que obriga a bombear
água de um reservatório ou jerican.
O subsistema de ar comprimido é composto por uma entrada de engate rápido, um filtro
com desumidificador, uma eletroválvula, um manómetro, uma válvula de comando manual,
reguladores de caudal e as saídas de engate rápido para os cilindros pneumáticos e para a
refrigeração interior do scanner.
42
Figura 51 – Mala fluídica: A) Depósito da bomba hidráulica; B) Torneira; C) Tomada de água
exterior; D) Manómetro do circuito de água; E) Eletroválvula do circuito de água; F) Válvula manual do
circuito de ar; G) Ficha de ligação à mala eléctrica; H) Manómetro do circuito de ar; I) Reguladores de
caudal do circuito de ar; J) Saída da água para o scanner; K) Tomada de ar; L) Tomada de água para a
bomba; M) Saídas de ar. A bomba de água encontra-se por baixo dos componentes J,K,L e M.
3.7. Software
O software, desenvolvido em Labview, funciona como uma interface entre o operador e o
scanner. É através deste que o utilizador comanda remotamente a posição e alguns
parâmetros do sistema (ex. temperatura, estado das ligações, etc).
3.7.1. Controlo de posicionamento
As mudanças de direção no scanner são feitas alterando a velocidade das duas rodas
motrizes, como ilustrado na Figura 52. Para andar a direito, as duas rodas/dois motores são
colocados a andar à mesma velocidade, correspondendo a uma percentagem, escolhida pelo
utilizador, da velocidade máxima dos motores.
Para descrever uma trajetória não linear, a roda do lado contrário à curvatura (roda que
percorre uma distância/perímetro maior) mantém a velocidade pré-definida pelo utilizador,
enquanto que a “roda de dentro” sofre uma redução da sua velocidade, tanto menor quanto
I
A
B
C
D
E F
G
H
M
L
K
J
43
menor for o raio da curva que se pretende descrever. Neste caso, a diferença de velocidades
entre rodas é escolhida, de forma incremental, pelo utilizador.
Figura 52 – Transmissão Independente e consequente mudança de direção
O comando do scanner é feito ou através da janela do software, com o auxílio do rato, ou
através do teclado do computador.
Figura 53 – Teclas de comando do scanner
Tecla Shift – Incrementar velocidade;
Tecla Ctrl – Decrementar velocidade;
Tecla Seta para cima – Igualar velocidades dos motores - passar para trajetória
retilínea;
Tecla Seta para baixo – Paragem;
44
Tecla Seta para a esquerda – Curva para a esquerda - incrementar diferença de
velocidades entre motores, de modo a que o motor direito possua velocidade superior ao
esquerdo;
Tecla Seta para a direita – Curva para a direita - Incrementar diferença de velocidades
entre motores, de modo a que o motor esquerdo possua velocidade superior ao da direita.
Durante o movimento do scanner são lidas as coordenadas das rodas fornecidas pelos
encoders presentes em cada um dos motores.
Através da distância entre eixos (b) e das coordenadas dos encoders (S1 e S2), são
calculados o raio de curvatura (r) e o ângulo (θ).
Estes dados mais as coordenadas (x1, y1) e (x2, y2) são utilizados como inputs no
cálculo das coordenadas (x’1, y’1) e (x’2, y’2).
Figura 54 – Transformação das coordenadas dos encoders em coordenadas XY
Com estas coordenadas, são calculadas as trajetórias do scanner, representadas
graficamente em tempo real durante a inspeção.
Na Figura 55, está ilustrado a interface gráfica utilizada no programa de controlo do
sistema de inspeção. É através dele que se controla o scanner, que se guardam dados e se
podem consultar e acompanhar informações tais como:
Velocidade do scanner;
Posicionamento da sonda;
Trajetória do scanner;
Temperaturas em diferentes zonas do scanner, da sonda, da água e da
CompactRIO.
45
Figura 55 – GUI do programa de controlo: A) Barra indicadora de velocidade; B) Volante direcional;
C) Botão de STOP; D) Indicador do posicionamento da sonda; E) Quadro indicador das temperaturas; F)
Botão de guardar dados e limpar trajetórias; G) Quadro representativo das trajetórias (Linhas preta e
vermelha representam a posição das rodas; linha verde representa a posição da sonda; o triângulo
amarelo é um auxiliar de indicação da direção do scanner)
3.8. Arquitetura do sistema
Figura 56 – Arquitetura do sistema de inspeção
A
C
B
D
E
F
G
46
Na Figura 56, está ilustrada uma representação estruturada e simplificada da
arquitectura geral do sistema. Esta arquitectura pode ser dividida em módulos, mais
concretamente no Módulo de Controlo do Movimento e Posicionamento e no Módulo de
Aquisição e Processamento de dados.
O Módulo de Controlo do Movimento e Posicionamento é constituído pelo scanner, pelo
controladores (mala eléctrica e mala fluídica), pela unidade de EMAT e por um Toughbook. No
Toughbook está instalado o software com o qual é possivel controlar o movimento e o
posicionamento do scanner, permitindo variar a velocidade dos motores de modo a adaptar-se
a trajetória de inspeção à geometria dos componentes. De forma resumida, o Módulo de
Aquisição e Processamento de dados é constituído pelos controladores, pela unidade de
EMAT, pelo Data Hub e pelo Toughbook.
Figura 57 – Sistema de inspeção
3.9. Notas finais
No ponto de situação atual do trabalho, o protótipo encontra-se concluido e dá-se por
encerrada a fase de desenvolvimento do scanner, iniciando a fase de testes e de ensaios de
verificação da funcionalidade do sistema desenvolvido.
A fase que agora acaba teve uma duração superior ao previsto, maioritariamente devido
a causas relacionadas por atrasos e rupturas de stock de fornecedores, muitos deles
estrangeiros.
47
4. Testes, análise e discussão de resultados
Após completa a tarefa de montagem, foram realizados testes de calibração e validação
de todo o sistema.
Dada a sua complexidade, verificou-se a necessidade de teste dos vários módulos
constituintes, quer em ambiente laboratorial, como também em industrial. Estes testes tiveram
como objetivo a verificação das capacidades de inspeção, da sua eficiência e o levantamento
das suas limitações operacionais.
Os testes em ambiente laboratorial permitiram, em ambiente controlado, avaliar a
funcionalidade do sistema e a sua a capacidade de resposta aos vários requisitos do projeto.
Foram efetuados testes complementares em ambiente industrial, pela impossibilidade,
em ambiente laboratorial, de réplica das condições operacionais a que o sistema está sujeito
em serviço, nomeadamente:
Geométricas: Dificuldade em encontrar superfícies para teste com as mesmas
curvaturas, e/ou suficientemente grandes para a movimentação do scanner;
Térmicas: Dificuldade em sujeitar o scanner a elevadas temperaturas, quer por
contacto direto, quer pela envolvente: sendo o calor por radiação, função da quarta
potência da diferença entre a temperatura do componente e a ambiente, qualquer
pequena variação da emissividade da superfície ou do fator de forma origina uma
grande diferença nas condições de serviço do scanner. Sendo praticamente impossível
a modelação destes fatores, apenas em ambiente industrial é possível o seu teste;
�̈� = 𝜀𝜎 (𝑇𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒4 − 𝑇𝑎𝑚𝑏𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
4) ( 11)
Onde �̈� representa o fluxo de calor irradiado por unidade de área [W/m2], 𝜀 a
emissividade da superficie emissora e 𝜎 a constante de Stefan-Boltzmann.
Estado da superfície: Imprevisibilidade do estado da superfície dos componentes, que
em serviço pode estar mais ou menos degradada ou com restos da manta de
isolamento térmico;
Janela temporal para ensaio: Impossibilidade, em ambiente industrial, de
prolongamento da duração dos testes e ensaios, implicando a preparação prévia dos
testes a efetuar e a impossibilidade de repetição dos mesmos em tempo útil.
Os ensaios laboratoriais foram realizados nas instalações do ISQ, tendo sido os
restantes realizados na Figueira da Foz, nas instalações fabris do grupo Portucel Soporcel,
primeiramente a frio e posteriormente a alta temperatura.
48
4.1. Ensaios laboratoriais
Os ensaios realizados em laboratório tiveram como objetivo a verificação da
funcionalidade do scanner desenvolvido e a confirmação do cumprimento dos requisitos de
projeto, bem como verificação da sua capacidade de resposta às várias restrições de projeto.
Os testes de validação do sistema tiveram como objetivo a verificação do funcionamento
do scanner desenvolvido como sistema de inspeção a alta temperatura. Os ensaios do módulo
de medição (sensor EMAT) foram efetuados em padrões metrologicamente calibrados, onde foi
verificada a capacidade de medição da técnica e o seu limiar de detectabilidade.
4.1.1. Velocidade do som
A calibração da velocidade do som foi realizada com recurso a um padrão escada
metrologicamente calibrado e do mesmo material que os componentes-alvo deste trabalho.
Figura 58 - Padrão escada e setup experimental
Para obtenção do valor correto da velocidade da onda transversal no material, o tipo de
onda emitida pelo sensor EMAT utilizado, colocou-se a sonda sobre o padrão, num setup
semelhante ao da Figura 58 e foi medido, com auxílio do Temate PorwerBox, o tempo que a
onda sonora demora a percorrer o padrão no sentido da espessura (tempo entre ecos de
fundo). Sendo a espessura no padrão conhecida nos vários degraus, é possível obter a
velocidade do som através da fórmula:
𝐶𝑡 =𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑠𝑢𝑟𝑎
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑣o𝑜
Este cálculo foi feito para os vários degraus do padrão, tendo-se obtido os valores da
tabela abaixo. Durante os testes, o padrão encontrava-se à temperatura ambiente (26 ºC).
49
Degrau [mm] Velocidade [mm/µs] Velocidade média
[mm/µs]
10 3,27372
3,27352
20 3,27365
40 3,27338
80 3,27348
100 3,27336
Tabela 8 - Velocidade do som no padrão escada
Como resultado dos testes efetuados, conclui-se que a velocidade da onda transversal
no material é de 𝐶𝑡 = 3,27352 mm/µs, à temperatura de 26ºC.
Este valor encontra-se próximo do valor teórico para o aço carbono:
𝐶𝑡 = √𝐸
𝜌
1
2(1+𝜈) = 3.23mm/µs,
onde E representa o módulo de Young do material [GPa], 𝜌 a sua massa específica
[kg/m3] e 𝜈 o coeficiente de Poisson.
4.1.2. Lift-off
A tarefa de otimização deste parâmetro consistiu em testes empíricos onde foram
introduzidos discos entre a sonda e um padrão, ambos metrologicamente calibrados. Os discos
introduzidos tinham espessuras compreendidas entre 0,5mm e os 2,5mm e permitiam efetuar
medições com um valor conhecido de lift-off.
Durante o teste, a única variável foi a distância sensor-peça (lift-off), tendo sido mantidos
constantes todos os outros parâmetros do equipamento Temate PowerBox H (velocidade,
ganho, etc.).
O ganho constante no equipamento permitiu observar a diminuição da altura dos vários
ecos de fundo, associada a uma perda na transmissão da energia sonora no material. De notar
também que os ecos se encontram mais “largos”, o que origina alguma incerteza na medição.
Figura 59 - Influência do lift-off no sinal sonoro, lift-off de 0mm (à esquerda) 2mm (à direita)
50
Figura 60 - Setup experimental dos testes de lift-off - 0mm (à esquerda), com discos espaçadores
de 2mm (à direita)
Após todos os testes realizados, pode-se concluir que o valor ótimo para este
parâmetro (lift-off) é de 1 mm para superfícies planas. Este valor reduz-se para superfícies
curvas à medida que se diminui o seu raio de curvatura. Esta redução é explicada pela
diminuição da área de contacto da sonda com a peça e apresenta um valor mínimo de 0.5mm
para a curvatura mínima para o qual o sistema foi desenvolvido.
O ajuste fino deste parâmetro é possível através da afinação interna do suporte da
sonda (roscado com passo de 1mm).
4.1.3. Sensibilidade
A calibração da sensibilidade foi efetuada em padrões de calibração. Estes padrões
apresentam furos, de diversos tamanhos e profundidades, que simulam perdas de espessura e
que permitem determinar o limiar de detetabilidade do sistema.
Os ensaios consistiram na avaliação do padrão maquinado e na verificação da
capacidade de medição correta dos vários defeitos. Os ensaios desta tarefa foram repetidos a
quente, de modo a garantir a repetibilidade dos resultados e a influência da temperatura no
sinal obtido.
O padrão utilizado nestes ensaios é uma chapa de 10mm de espessura com dimensões
400x400mm, que tem maquinados os seguintes furos:
Ø0,8 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
Ø1,5 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
Ø2 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
Ø3 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
Ø4 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
51
Ø5 mm – Redução de espessura de 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%;
Ø5 mm x 2,5 mm;
Ø10 mm x 2,5 mm;
Ø15 mm x 2,5 mm;
Ø10 mm x 2,5 mm + Ø5 mm x 5 mm (furos escalonados);
Ø15 mm x 2,5 mm + Ø10 mm x 5 mm (furos escalonados).
Figura 63 - Padrão com furos de fundo plano
Neste padrão, com o equipamento gerador de sinais e com os ficheiros de calibração
resultantes da secção 2.1, apenas foi possível encontrar os 4 últimos furos da listagem anterior.
Figura 61 - Medição em zona de chapa sã
Figura 62 - Medição do furo Ø15 mm x 2,5 mm
52
Figura 64 - Medição do furo Ø10 mm x 5 mm (à esquerda), ecos do segundo furo (à direita)
Figura 65 - Medição de defeito pequeno
Tal como pode ser observado com comparação entre a Figura 61 e a Figura 65, na
medição dos furos de diâmetro inferior a 5mm, existe evidência de descontinuidade, pela
redução da amplitude dos vários ecos mas, devido à incapacidade do equipamento gerador de
sinais de utilizar mais do que uma gate (janela de medida que define a área do sinal em que
são lidos valores de amplitude e tempo de percurso – linha horizontal verde que cruza os dois
primeiros ecos nas figuras anteriores), não é possível fazer uma medição do padrão na área do
defeito.
53
Figura 66 - Medição do furo Ø10 mm x 2,5 mm
De notar a impossibilidade do sistema gerador de sinais, em distinguir entre o furo
medido e o de Ø15 mm x 2,5 mm, que é concêntrico. Visualmente é possível verificar no A-
Scan da Figura 64, a existência de um eco (seta vermelha) referente a uma descontinuidade
entre a cota de 10mm (fundo da chapa) e a profundidade onde se encontra o furo de Ø10 mm-
5mm. Este eco diz respeito ao furo de Ø15, que é possível detetar com a sonda desenvolvida,
mas que não é possível medir, por limitação do equipamento Temate PowerBox H utilizado que
apenas faz a medição entre os dois maiores ecos.
Figura 67 - Medição do furo Ø10 mm x 2,5 mm + Ø5 mm x 5 mm
Na medição deste furo, e à semelhança do que ocorreu na medição de outros furos de
diâmetro inferior a 10mm, apenas é possível visualizar o furo de Ø10.
Assim se conclui que o sistema desenvolvido apenas se encontra apto para medição de
furos com diâmetro superior a 10mm.
54
Para a realização dos ensaios a alta temperatura, foi utilizada uma hote que permite o
aquecimento de padrões até aos 350ºC.
Figura 68 - Hote onde foram aquecidos os padrões
Os ensaios foram repetidos a quente e, embora seja notável o aumento da atenuação
sonora, não existiram variações no limiar de detetabilidade do sistema. Os ensaios a quente
não são abordados neste tópico por se encontrarem em detalhe mais à frente.
4.1.4. Testes em padrão escada
Os testes realizados no âmbito desta tarefa tiveram como objetivo a validação do
sistema porta sondas desenvolvido como técnica de medição de espessuras (com técnica
EMAT). Os testes consistiram na verificação da capacidade de medição das diversas
espessuras dos vários degraus existentes em padrões calibrados.
Recorrendo à calibração do equipamento Temate PowerBox H, efetuada anteriormente
(Ct = 3,27352mm/µs) e utilizando um ganho de 66dB, foi possível a medição de todos os
degraus do padrão. Os resultados estão apresentados na Tabela 9.
Figura 69 - Padrão escada
55
Tabela 9 - Valores medidos nos vários degraus do padrão
Verifica-se um aumento do erro com o aumento da espessura, que é resultante do
cálculo da velocidade do som no material ter sido feito recorrendo à média da velocidade
medida nos vários degraus. Esta variação não é relevante para a capacidade de medição do
sistema desenvolvido nem requer a realização de novas calibrações, uma vez que os
componentes que fazem parte do projeto HiTRUST apresentam uma gama de espessuras
compreendida entre os 6 e os 40mm, intervalo em que as medições são exatas.
Figura 70 - Setup experimental
4.1.5. Testes em padrão com zonas simuladas de perda de espessura
Os testes realizados nesta última categoria tiveram como objetivo a validação global do
sistema no que toca aos ultra-sons e a sua integração com o sistema de movimentação do
scanner. O resultado deste teste é uma aquisição 2D de um padrão com duas zonas onde
foram maquinadas reduções de espessura.
Degrau [mm] Medida [mm]
10 10,08
20 20,04
40 40,10
60 60,12
80 80,25
100 100,38
56
Figura 72 - C-Scan de padrão com duas reduções de espessura (à esquerda); zona de interesse
considerada (à direita)
No decorrer deste teste foi também possível averiguar o funcionamento do sistema de
posicionamento, onde foi verificada a capacidade de criação de mapeamentos 2D, com a
informação fornecida pelos encoders virtuais criados pela CompacRio (mala electrónica).
Foram ainda realizadas aquisições no mesmo padrão da Figura 72, mas agora com uma
zona de interesse diferente – a zona com furos de fundo plano.
Figura 71 - Padrão utilizado nos testes desta tarefa
57
Figura 73 - C-Scan de padrão com furos de fundo plano (à direita); zona de interesse (à direita)
4.1.6. Testes de comportamento da velocidade do som com o aumento
da temperatura
O aumento da temperatura induz uma redução da velocidade do som no material, bem
como o aumento da atenuação.
Em laboratório foram realizados testes de avaliação e verificação das alterações desses
parâmetros, com o objetivo de verificar o funcionamento do algoritmo de correção de
velocidade do som e de obter valores expectáveis das perdas de energia sonora por
atenuação. Estas perdas terão de ser colmatadas por um aumento do ganho da amplificação
do sinal recebido na sonda.
T [ºC] % ecrã G [dB] ΔG [dB]
26 82 65,5 0,0
75 76 66,5 1,0
100 72 67 1,5
130 70 67 1,5
150 67 67,5 2,0
180 57 69 3,5
220 55 70,5 5,0
270 51 71 4,5
300 46 72 5,0
320 42 73 6,0
Tabela 10 - Aumento da atenuação em função da temperatura
No anexo B estão presentes alguns A-Scans, a diferentes temperaturas, que permitem
visualizar o aumento da atenuação pela redução, em amplitude, dos vários ecos.
58
As diferenças de ganho apresentadas servem como referência para a inspeção em
ambiente industrial, permitindo o ajuste dos parâmetros de inspeção no Temate PowerBox H
em função da temperatura de serviço do componente a inspecionar. Existem ainda outras
variáveis como por exemplo o estado de oxidação da superfície que não podem ser modeladas
em laboratório e que podem levar a um aumento da atenuação, o que implica um aumento do
ganho.
Os testes laboratoriais a quente foram realizados numa hote, que permitia, com
segurança para o operador, o aquecimento de pequenas peças metálicas até 350ºC. A
medição da temperatura foi efetuada por um termómetro infravermelho calibrado.
Figura 74 - Termómetro de infravermelhos utilizado
Para avaliar a evolução da velocidade do som com o aumento da temperatura, um
padrão foi ainda aquecido, em ambiente controlado, e foram repetidas as medições nos
degraus de espessura conhecida.
Figura 75 - Variação da velocidade da onda transversal em função da temperatura
Durante a inspeção de componentes a alta temperatura, são utilizados os ficheiros de
calibração criados à temperatura ambiente e, com recurso aos valores da figura anterior, torna-
59
se possível a correção dos valores de espessura medidos, multiplicando-os por um factor
corretivo correspondente à razão de velocidades de calibração e inspeção.
4.1.7. Verificação das capacidades/limitações do sistema
Estes testes têm como objectivo o levantamento das limitações operacionais do sistema
desenvolvido. Nesta categoria incluem-se os testes geométricos e operacionais dinâmicos.
4.1.7.1. Testes geométricos
Os testes dinâmicos tiveram como objetivo a avaliação da capacidade de adaptação e o
desempenho do scanner nas várias geometrias para que foi desenvolvido.
Durante os testes foram verificadas a capacidade de adaptação ao raio mínimo para o
qual foi projetado (270 mm). Para tal, o scanner foi colocado num troço de tubagem com
diâmetro de 273 mm, tal como pode ser observado na figura seguinte.
Figura 76 - Adaptação do scanner a pequenas curvaturas
4.1.7.2. Testes operacionais dinâmicos
Nesta categoria estão compreendidos os testes de movimentação e desempenho que
tiveram como objetivo verificar a eficiência dos imans de fixação, a capacidade de tracção do
sistema, a velocidade máxima de inspecção, entre outos.
Na Tabela 11 apresentam-se algumas características do sistema desenvolvido. No topo,
encontram-se as características logísticas do sistema, no que toca ao seu peso e dimensões.
Na segunda metade apresentam-se as características operacionais do scanner, no que toca à
capacidade de inspeção: a velocidade do sistema permite obter informação sobre a quantidade
de área que é possível inspecionar por unidade de tempo; a força de arrancamento representa
a força necessária para remover o scanner de uma superfície magnética, com e sem o auxílio
dos cilindros pneumáticos; a tabela de pesos rebocáveis fornece informação sobre o peso
máximo do cabo umbilical.
60
Dimensões [mm]
Comprimento 180
Largura 230
Altura 190
Peso [Kg]
Scanner 7
Mala elétrica 13
Mala fluídica 12,5
Conjunto 32,5
Velocidade [cm/s]
Máxima 9
Aquisição 1
Arrancamento [kgf] C/ cilindro 3
C/ cilindro 16
Rebocável [kg] Horinzontal 16
Vertical 8
Diâmetro peça [mm] Mínimo 270
Tabela 11 - Características do sistema desenvolvido
Figura 77 - Setup do sistema durante testes de capacidade de tração - levantamento de jerrican
com água
4.1.8. Avaliação da resistência do sistema à alta temperatura/Eficiência
dos sistemas de arrefecimento
Estes testes compreendem a verificação da capacidade do sistema para inspeção em
regime contínuo em ambiente termicamente adverso. Estes testes foram completados pelos
testes de eficiência dos sistemas de arrefecimento instalados no sistema.
61
Figura 78 - Scanner na hote de aquecimento
Em ambiente laboratorial, estes testes foram feitos na hote apresentada na secção 3.1.
Nestes testes, uma chapa com o dobro do raio mínimo inspecionável foi aquecida até ao
limite de capacidade da hote, 320ºC e foram monitorizados os termopares do sistema.
Figura 79 - Scanner sujeito a 320ºC, na hote. Temperatura ao fim de 6 min
Tendo em conta a ligeira alteração de temperaturas entre os vários instantes anteriores,
é possível admitir que o scanner se encontra praticamente em regime estacionário e que os
sistemas de arrefecimento incorporados permitem a sua permanência do a menos de um terço
da temperatura da superfície do componente.
62
Para estudo do caso mais crítico, os testes foram realizados com o arrefecimento por
àgua bombeada pela bomba instalada na mala fluídica que, por ter um caudal inferior ao da
ligação por água da rede, apresenta uma eficiência inferior. O estudo foi feito para o caso
crítico uma vez que, em ambiente industrial, não há garantia da existência de uma tomada de
água da rede perto do local de inspeção.
Durante todos os testes anteriores, o scanner foi sendo movido em várias direções para
garantir a uniformidade de temperatura nas rodas e evitar gradientes espaciais de temperatura.
4.2. Ensaios industriais a frio
Os ensaios apresentados em bbaixo foram realizados com o equipamento a frio
(temperatura ambiente), durante uma das paragens de manutenção da fábrica da Soporcel na
Figueira da Foz, e tinham como objetivos principais a validação do sistema desenvolvido como
técnica de medição de espessuras; a recolha de dados para servir de ponto de partida e de
termo de comparação com os posteriores ensaios efetuados a quente e a verificação da
capacidade de adaptação do scanner aos componentes.
Embora não tenham sido inspecionados todos os componentes constantes no projeto,
tentou-se cobrir a maior e mais ampla gama de temperaturas possível, tendo-se inspecionado
equipamentos com temperaturas de serviço desde os 140ºC até aos 475ºC.
Figura 80 - Pontos medidos para posterior comparação
Figura 81 - Adaptação do scanner a tubagens de diâmetro próximo de limite de projeto - 280mm
63
Verificou-se a correta adaptação do scanner à superfície da tubagem, quer em trajetória
radial, quer em longitudinal, onde é possível verificar a inclinação das rodas de forma a obter
um contacto/tração mais eficiente.
Verificou-se ainda a capacidade de alteração do tipo de trajetória de inspeção. Neste
teste, iniciou-se uma inspeção longitudinal no Dolezal que foi posteriormente alterada para uma
trajetória radial. A correta adaptação das rodas e da sonda a estas alterações no sentido da
curvatura são essenciais e, caso não fossem eficazes, limitariam a capacidade de manobra do
scanner.
Figura 82 - Alteração de trajetória de inspeção
4.2.1. Resultados
Na tubagem da Figura 81, foram realizadas medições de espessuras com o sistema
desenvolvido, que foram comparadas com medições feitas, nos mesmos pontos, pela técnica
convencional de ultra-sons. As medições foram efetuadas em 3 geratrizes da tubagem: no topo
(N-norte), na parte inferior (S-sul) e na lateral (O-oeste).
O teste foi feito com os ficheiros de calibração criados anteriormente e foi utilizado um
passo de aquisição de 200 mm.
64
EMAT [mm] US [mm] Erro [%]
Ponto S O N S O N S O N
1 13,1 12,6 12,7 13,3 13,4 12,6 1,5% 5,9% -0,8%
2 12,6 12,6 12,9 13 13 13,1 3,1% 3,1% 1,5%
3 13,3 12,5 12,9 13,4 13,1 13,1 0,8% 4,6% 1,5%
4 12,6 12,6 12,7 13,3 13,1 13,2 5,2% 3,8% 3,8%
5 12,7 12,6 12,7 13,4 13,2 13,2 5,2% 4,6% 3,8%
6 12,6 12,6 12,6 13,1 12,9 13,2 3,8% 2,3% 4,6%
7 12,7 12,7 12,7 13,3 13,2 12,9 4,5% 3,8% 1,6%
8 12,5 12,9 12,5 13,1 13,5 12,8 4,6% 4,4% 2,3%
9 12,6 12,9 12,7 13,6 13,2 12,9 7,3% 2,3% 1,6%
10 12,6 13,1 12,5 13,2 13,7 13,2 4,6% 4,4% 5,3%
11 12,8 12,9 12,6 13,4 13,5 12,8 4,5% 4,4% 1,6%
12 13 12,9 12,5 13,5 13,3 12,8 3,7% 3,0% 2,3%
13 13 12,9 12,7 13,5 13,4 13,3 3,7% 3,7% 4,5%
14 13,1 12,9 12,6 13,7 13,6 13,2 4,4% 5,1% 4,6%
15 12,9 13,2 12,6 13,3 13,3 13,3 3,0% 0,8% 5,3%
16 12,9 13 12,5 13,3 13,1 12,9 3,0% 0,8% 3,1%
17 12,9 13,3 12,4 13,3 13,9 13 3,01% 4,32% 4,62%
18 13,7 13,1 12,5 13,3 13,2 13,2 -3,01% 0,76% 5,30%
19 13 13,1 12,5 13,4 13,3 12,8 2,99% 1,50% 2,34%
20 12,7 13,1 12,6 13,3 13,3 13,2 4,51% 1,50% 4,55%
21 13,1 12,8 12,4 13,5 13,5 13,1 2,96% 5,19% 5,34%
22 12,9 12,9 12,5 12,9 13,4 13,2 0,00% 3,73% 5,30%
23 12,6 12,5 12,5 13 12,7 12,6 3,08% 1,57% 0,79%
24 12,7 12,8 13 13,7 13,4 13,6 7,30% 4,48% 4,41%
25 12,7 12,5 12,6 13 13,2 12,7 2,31% 5,30% 0,79%
26 12,4 12,5 12,1 12,6 12,4 12,9 1,59% -0,81% 6,20%
27 14,3 15,5 13,6 15,5 15 13,9 7,74% -3,33% 2,16%
Figura 83 - Resultados de medição da tubagem
Da análise da figura anterior, é possível verificar que existe um pequeno erro entre as
medições das duas técnicas. Este erro é justificado pelo estado da superficie que, tal como é
visível na Figura 81, apresenta alguma corosão e sujidade. Uma vez que os ultra-sons
convencionais são muito mais sensiveis ao estado de limpeza da superfície que o EMAT, em
zonas mais afetadas, os valores medidos sofrem uma discrepância maior.
No Dolezal, foram feitas a frio duas aquisições, nas geratrizes indicadas nas Figura 84.
O ponto de referência situa-se numa soldadura que dista 2 m da extremidade direita do
componente.
65
Figura 84 - Zona de inspeção 1 e 2
EMAT
Ponto Zona 1 Zona 2
1 25,0 25,1
2 25,1 25,1
3 25,1 25,1
4 25,1 25,1
5 25,1 25,1
6 25,2 25,1
7 25,2 25,1
8 25,2 25,1
9 25,2 25,1
10 25,2 25,1
11 25,1 25,1
12 25,2 25,1
13 25,2 25,1
14 25,2 25,1
15 25,1 25,1
16 25,0 25,1
Figura 85 - Resultados medição EMAT no Dolezal
4.3. Ensaios industriais a quente
Os ensaios realizados a alta temperatura tiveram como primeiro objetivo a confirmação
dos valores medidos a frio, permitindo a verificação da capacidade de medição do sistema.
Dada a elevada temperatura de funcionamento e as características geométricas dos
componentes, tornou-se impossível a comparação dos valores medidos com outras técnicas
mas, como nos ensaios a frio os dados eram coerentes, assumiu-se a viabilidade do sistema
para inspeção de componentes a alta temperatura. Outro dos grandes objetivos deste ensaio
66
consistiu na verificação, em ambiente industrial, da eficiência dos sistemas de arrefecimento
que foram incorporados no scanner e da sua robustez no que toca à alta temperatura.
Assim, os ensaios a quente compreendem um ensaio de varrimento e mapeamento de
espessuras do componente, bem como um ensaio térmico onde se monitorizaram os valores
obtidos pelos termopares distribuídos pelo sistema, em regime estacionário, com e sem
sistema de arrefecimento, de modo a controlar a temperatura do scanner e a influência dos
mesmos.
Para a realização dos ensaios a alta temperatura, para segurança do operador, foi
necessária a utilização de um fato especial aluminizado, que permite a proteção contra calor
radiante até aos 600ºC. Este equipamento de proteção individual permitiu, em segurança, a
permanência temporária de um operador junto aos equipamentos em serviço.
Foi ainda introduzida uma manga protetora para umbilical que evita que os cabos e
mangueiras sejam danificados pelo contacto com a superfície quente.
Figura 86 - Fato de proteção térmica
Durante os ensaios foi avaliada a funcionalidade do scanner nos diversos componentes-
alvo do trabalho:
4.3.1. Fundo do impregnador (160 ºC)
O fundo copado do impregnador apresenta-se como um dos componentes críticos do
trabalho, não pela sua temperatura de serviço mas pela sua geometria e localização na
instalação.
Na inspeção deste equipamento o scanner tem de se adaptar às sucessivas alterações
da curvatura da superfície em posição invertida. A inspeção deste componente permitiu
verificar quer a capacidade de adaptação a fundos copados, quer a conformidade dos cálculos
efetuados no que toca ao dimensionamento dos ímanes das rodas que mantiveram força de
atração suficiente para suportar o peso do scanner e do umbilical, sem risco de queda.
67
Figura 87 - Inspeção do fundo do impregnador (componente de geometria copada T=160ºC)
Tempo Termopares [ºC]
Arrefecimento Sonda Motor Base T. 24V Água Crio
Cond. Inic. Total exceto água sonda 48,23 35,35 32,78 32,85 25,74 60,56
Após 10min
Total exceto água sonda 88,57 43,34 38,61 34,7 25,08 61,11
Após 20min
Total exceto água sonda 81,89 47,41 41,09 33,57 24,98 62,22
Após 30min
Total exceto água sonda 83,29 49,31 4509 32,81 23,85 61,67
Após 35min
Desligado 92,35 46,78 46,82 32,36 23,21 61,11
Após 40min
Desligado 96,31 47,86 48,55 32,58 23,81 66,56
Após 50min
Total exceto água sonda 89,68 51,28 48,02 33,24 22,17 59,44
Após 55min
Total exceto água sonda 86,74 52,41 59,47 32,457 22,43 59,44
Após 60min
Total exceto água sonda 83,91 50,49 48,7 33,61 22,58 59,43
Tabela 12 - Estado do sistema durante inspeção
Com este teste é possível notar a influência do arrefecimento da sonda com a água que,
por se encontrar desligada, elevou a temperatura da sonda para perto dos 100 ºC.
4.3.2. Tubagem de baixa pressão (220 ºC)
Foi inspecionada uma tubagem de baixa pressão com diâmetro próximo do limite de
projeto do sistema. Este componente, embora tenha um diâmetro e características similares à
tubagem de alta temperatura anteriormente testada, por ter uma temperatura de serviço inferior
e por se localizar na parte exterior do edifício fabril, proporciona uma “sensação térmica
68
aparente” inferior. Deste modo, o contacto com o scanner pode ser mais prolongado e é
possível verificar algumas funcionalidades do sistema, como por exemplo a adaptação a
superfícies de pequeno raio da tampa inferior e do suporte de sondas.
Figura 88 - Inspeção de tubagem de baixa pressão (220ºC) – Scanner e setup
Figura 89 - Adaptação do scanner a tubagens de reduzido diâmetro - tampa inferior de isolamento
térmico
Figura 90 - Adaptação do porta-sondas a tubagem de reduzido diâmetro - funcionalidade dos
rolamentos frontais
69
Tabela 13 - Estado do sistema durante os testes à tubagem
Com este teste foi possivel notar a influência do arrefecimento através do ar comprimido,
uma vez que se pode verificar um aumento excessivo da temperatura da sonda, atingindo o
seu termopar valores díspares dos restantes testes.
4.3.3. Dolezal (260 ºC)
No Dolezal foram repetidas as aquisições nas duas zonas anteriormente analisadas.
Figura 91 - Inspeção do Dolezal (260 ºC)
Os resultados da inspeção do Dolezal encontram-se tabelados abaixo, onde é possível
comparar a medição efetuada a frio, durante a paragem do promotor, a medição efetuada em
serviço e o valor real da espessura, corrigida pelo software de correção automática de
velocidade do som. Esta correção é efectuada através dos valores de velocidade da Figura 75.
Tempo Termopares [ºC]
Arrefecimento Sonda Motor Base T. 24V Água Crio
Cond. Inicial Só água 34,53 26,15 26,22 31,21 25,44 51,11
Após 10 min Só água 33,06 37,23 33,81 32,78 29,4 56,11
Após 15 min Só água 34,22 33,93 34,93 34,58 38,12 61,12
Cond. Inicial Só água 57,42 35,26 34,95 37,79 38,94 72,22
Após 16 min Só água 76,3 44,61 40,36 36,22 36,7 71,66
Após 22 min Só água 90,73 52,12 43,27 36,06 36,14 70,00
Após 30 min Só água 78,89 42,78 42,38 35,19 33,63 71,11
Após 39 min Só água 39,05 49,92 44,38 37,29 42,28 71,67
70
Zona 1
Ponto EMAT Frio EMAT Quente EMAT Corrigido Erro [%]
1 25,0 26,3 25,2 -0,7
2 25,1 26,3 25,2 -0,3
3 25,1 25,9 24,8 1,2
4 25,1 26,0 24,9 0,8
5 25,1 26,0 24,9 0,8
6 25,2 25,9 24,8 1,6
7 25,2 26,0 24,9 1,2
8 25,2 26,0 24,9 1,2
9 25,2 26,0 24,9 1,2
10 25,2 26,0 24,9 1,2
11 25,1 26,0 24,9 0,8
12 25,2 26,0 24,9 1,2
13 25,2 26,0 24,9 1,2
14 25,2 26,3 25,2 0,1
15 25,1 26,3 25,2 -0,3
16 25,2 26,3 25,2 0,1
Figura 92 - Comparação de resultados a frio vs. a quente na zona 1 (260 ºC)
Zona 2
Ponto EMAT Frio EMAT Quente EMAT Corrigido Erro [%]
1 25,1 26,2 25,1 0,0
2 25,1 25,9 24,8 1,2
3 25,1 25,9 24,8 1,3
4 25,1 26,0 24,9 0,8
5 25,1 25,9 24,8 1,1
6 25,1 26,0 24,9 0,7
7 25,1 26,1 24,9 0,6
8 25,1 26,0 24,9 0,8
9 25,1 26,0 24,8 1,0
10 25,1 25,9 24,8 1,0
11 25,1 25,9 24,8 1,0
12 25,1 26,0 24,9 0,9
13 25,1 26,4 25,3 -0,6
14 25,1 26,0 24,9 0,9
15 25,1 26,0 24,9 0,8
16 25,1 26,0 24,9 0,7
Figura 93 - Comparação resultados a frio vs. a quente na zona 2 (260 ºC)
71
O Dolezal encontra-se no topo do edifício que contém as caldeiras da instalação. Como
tal, além do calor por radiação, o sistema estava sujeito ao calor por conveção natural criado
pelos componentes dos pisos abaixo. Como consequência, a sensação térmica aparente era
superior, levando ao aquecimento dos componentes da mala eletrónica, sendo esta a
justificação para o pico de temperatura da CompactRio. No caso do transformador, este efeito
não se faz sentir por este se encontrar mais próximo da ventilação interna da mala.
Tempo Zona Arrefecimento Termopares [ºC]
Sonda Motor Base T. 24V Água Crio Ar interior
Cond. Inic.
260ºC
Total 39,733 37,63 36,19 44,82 42,37 87,22
Após 15 min
Total 48,43 45,07 48,13 47,2 46,78 88,89 47,86
Após 15 min
Total 50,87 50,31 54,57 48,2 45,36 91,11 53,49
Cond. Inic.
320ºC
Total 45,62 48,55 51,32 43,53 41,93 86,11 51,19
Após 19 min
Total 50,15 57,87 65,52 48,37 40,41 91,12 49,87
Após 40 min
Total 54,42 52,62 52,19 48,76 52,61 93,33 46,95
Após 47 min
Total 54,61 53,86 59,79 49,06 51,58 93,89 51,6
Tabela 14 - Estado do sistema durante os testes ao Dolezal
4.3.4. Tubagem de alta temperatura (475 ºC)
Foram repetidos ainda os ensaios anteriormente realizados à tubagem de vapor
sobreaquecido, à saída de uma das caldeiras da instalação. Este componente não só é crítico
pela sua temperatura de serviço, de cerca de 475 ºC, como também pela sua geometria, uma
vez que o seu diâmetro se encontra perto do raio mínimo para o qual o scanner foi
desenvolvido.
Figura 94 – Inspeção e setup do sistema na inspeção de tubagem de vapor sobreaquecido (475
ºC)
72
Uma vez que, em serviço e ao contrário do que aconteceu a frio, não foi possível retirar o
isolamento a toda a tubagem, apenas foi possível fazer medições num troço de dimensões
inferiores. Como consequência, o número de pontos apresentado é inferior ao apresentado na
Figura 83. Em todo o caso, a amostra é considerada representativa do estado da tubagem e
permite a validação do sistema. O resultado das inspeções realizadas encontra-se tabelado em
baixo:
Ponto EMAT Frio EMAT Quente EMAT Corrigido Erro [%]
1 12,7 14,0 12,9 1,4
2 12,9 13,8 12,8 -1,1
3 12,9 13,8 12,7 -1,5
4 12,7 13,9 12,8 0,8
5 12,7 13,6 12,5 -1,3
6 12,6 13,6 12,6 -0,2
7 12,7 14,1 13,0 2,1
8 12,5 13,8 12,8 2,0
9 12,7 13,7 12,7 -0,2
10 12,5 13,7 12,6 1,0
11 12,6 13,9 12,8 1,5
12 12,5 13,5 12,5 -0,1
13 12,7 13,5 12,5 -1,8
Tabela 15 - Resultados de inspeção à tubagem de saída da caldeira (475 ºC)
Figura 95 - Aquisição de sinal na tubagem (A-Scan + B-Scan)
73
Tubagem vapor sobreaquecido
Local Tempo Arrefecimento Termopares [ºC]
Sonda Motor Base T. 24V Água Crio Ar interior
N
Cond. Iniciais ar + água 30,03 35,09 34,39 36,81 36,03 67,2 34,2
Após 1min ar + água 49,61 36,67 37,54 36,98 36,27 68,3 37,54
Após 2min ar + água 49,05 43,5 42,02 37,3 37,02 68,3 41,64
Após 3min ar + água 45,33 46,78 44,41 37,74 37,37 71,1 43,74
S
Cond. Iniciais ar + água 45,34 46,78 44,4 37,74 37,4 71,1 43,74
1 ar + água 48,02 44,36 42,47 37,99 37,61 71,6 40,25
2 ar + água 50,07 44,45 42,78 38 37,64 71,1 40,53
Após ar + água 43,92 45,05 42,86 38,03 37,68 71,1 40,03
remoção
Tabela 16 - Estado do sistema durante os testes da tubagem de alta pressão
Durante a inspeção deste componente, a refrigeração esteve sempre ligada com ar e
água da rede fabril. O caudal de água de arrefecimento das rodas e sonda superior (quando
comparado com a bomba da mala) permitiu manter o sistema a temperatura estável e sem
sobreaquecimento.
Embora não tenha sido possível a inspeção de componentes a temperatura mais
próxima do limite de projecto, os 550 ºC, é possível extrapolar o seu correto funcionamento
para temperaturas ligeiramente superiores a 500 ºC.
4.4. Termografia
Durante a inspeção a quente, foi realizado um ensaio complementar recorrendo à
técnica da termografia. Este ensaio permitiu não só confirmar a temperatura da superfície dos
vários componentes, mas também a verificação do funcionamento dos vários termopares
distribuídos pelo sistema. Deste modo foi possível monitorizar a temperatura de todos os
componentes em todas as fases do processo de inspeção: a fase inicial onde é introduzido o
scanner na superfície e onde ocorrem grandes variações de temperatura durante o regime
transiente, a fase de inspeção, onde termicamente o sistema se encontra praticamente em
regime estacionário e, por último, a fase pós-inspeção, onde é possível avaliar o arrefecimento
dos vários pontos do sistema.
74
Figura 96 - Inspeção da tubagem de alta pressão
Figura 97 - Termografia da tubagem de alta pressão
A termografia contribuiu com dados precisos acerca da temperatura real da superfície
dos componentes, melhorando a exatidão do software de correção automática de temperatura.
De notar que, em alguns casos, a temperatura da superfície era 23% superior à
temperatura de projeto dos componentes, pelo que a correção da velocidade do som revelou-
se um parâmetro fulcral para obtenção de medições corretas de valores de espessura.
Figura 98 - Distribuição de temperatura no Dolezal (260ºC)
75
Esta variação ocorreu essencialmente no Dolezal, um permutador de calor que recebe
vapor sobreaquecido a 490ºC. Este vapor entra no componente na parte superior e, como
consequência, aumenta a sua temperatura.
4.4.1. Ensaios térmicos
Embora todos os ensaios anteriores incluam um componente de monitorização térmica,
por forma a estudar de forma fina o comportamento do sistema, foram realizados ensaios
puramente térmicos que tiveram como objetivo a verificação do funcionamento do scanner a
alta temperatura e a eficiência dos sistemas de arrefecimento. Para a sua realização, o sistema
foi deixado durante períodos de tempo conhecidos em contacto com os componentes,
enquanto os sistemas de arrefecimento iam sendo acionados ou desligados e os valores de
temperatura fornecidos pelos termopares eram monitorizados.
Figura 99 - Sistema de arrefecimento - temperatura da sonda após inspeção de tubagem (475ºC)
Durante os testes foi retirada a tampa metálica superior de modo a possibilitar a medição
da temperatura dos componentes no interior do scanner.
Para avaliar a eficiência dos sistemas de arrefecimento, foram realizados vários testes
aos diferentes módulos que o constituem. O primeiro a ser realizado teve como objetivo a
medição da temperatura de funcionamento da sonda. Para tal, o scanner permaneceu 5 min na
zona superior do Dolezal, onde a temperatura da superfície se encontra a 320ºC. Ao ser
retirado, foi fotografado pela câmara de termografia no instante da remoção e após 20
segundos. O ensaio foi repetido com todos os sistemas de arrefecimento desligados. Foi então
possível comprovar a eficiência dos dois sistemas de arrefecimento da sonda.
76
5. Conclusões
Os objetivos a que se propunha este trabalho eram ambiciosos, tendo sido criado um
sistema inovador e pioneiro que possibilita a inspeção não destrutiva na gama de temperaturas
considerada. Resumidamente, os passos tomados durante este trabalho foram:
Levantamento das limitações/características/restrições da unidade fabril –
Identificação das restrições/constrangimentos e especificações técnicas do
sistema a desenvolver;
Modelação e desenvolvimento dos sub-sistemas de controlo, movimentação e
inspeção;
Construção de um protótipo – Acompanhamento do processo de construção e
montagem do sistema;
Testes e ensaios de validação em ambiente laboratorial - Verificação da
funcionalidade do sistema em ambiente controlado;
Testes e ensaios de validação em em ambiente industrial - Verificação da
funcionalidade do sistema em ambiente industrial e validação global do sistema
à temperatua ambiente e em serviço.
O desenvolvimento do sistema apresentou-se como um grande desafio, principalmente
no que toca ao projeto à alta temperatura, uma vez que, à medida que a temperatura aumenta,
a gama de materiais que é possivel utilizar diminui e o seu custo de aquisição tende a
aumentar. Esta questão tem particular enfoque nos componentes elétricos e eletrónicos que
apresentam temperaturas máximas de funcionamento numa gama de 60 a 85 ºC. A baixa
procura de componentes e materiais com especificações de funcionamento nas condições
deste trabalho leva à existência de um reduzido número de fornecedores, maioritariamente
estrangeiros, o que eleva o custo de aquisição dos componentes e aumenta significativamente
os prazos de entrega e a sua imprecisão.
Outra grande dificuldade prende-se com a lacuna de informação no que toca às
condições operacionais do sistema em campo, uma vez que cada componente se encontra a
temperatura diferente, com características envolventes distintas. Torna-se então impossível em
tempo útil a modelação da distribuição de temperatura/condições de serviço do sistema uma
vez que, na gama de temperaturas do projeto, a radiação é a principal fonte de calor (por variar
com a quarta potência da temperatura) e seria necessário modelar a instalação fabril inteira
para obter uma estimativa do fator de forma e/ou a emissividade dos componentes da
instalação.
Pode-se concluir que o sistema desenvolvido cumpre todos os requisitos de projeto,
permitindo a criação de um mapeamento de espessuras em componentes industriais metálicos
77
ferromagnéticos com temperaturas de serviço elevadas, enquanto estes se encontram em
serviço.
O sistema encontra-se validado para medição de espessuras até aos 475ºC, mas a
monitorização do estado do sistema (temperaturas dos vários constituintes) durante a inspeção
permite a extrapolação da sua capacidade de medição para temperaturas superiores (até 550
ºC).
Em suma, pode-se concluir que o trabalho foi bem sucedido, apresentando como output
um sistema que se apresenta como uma mais-valia ao plano de manutenção de uma unidade
industrial. Estas melhorias advêm da possibilidade de inspeção de componentes críticos em
serviço, permitindo um aumento de eficiência, uma considerável redução de custos associados
à não produção e um aumento da taxa de disponibilidade dos componentes fabris uma vez que
as ações corretivas, a encomenda de peças de substituição e toda a logística de manutenção
pode ser otimizada, servindo a paragem de produção apenas para reparar pontualmente as
áreas identificadas durante a inspeção.
Este sistema pioneiro permitirá a introdução do ISQ em novos mercados, permitindo-lhe
manter o estatuto já adquirido de entidade de referência nacional no desenvolvimento e
aplicação de sistemas avançados de Controlo Não Destrutivo.
78
6. Melhoramentos futuros
Ao longo dos últimos anos tem-se assistido a um melhoramento e aperfeiçoamento das
técnicas já existentes, possibilitando novos tipos de inspeção e/ou corrigindo algumas das suas
limitações. Este desenvolvimento tem sido feito tanto a nível da técnica de medida (sondas)
como também nos mecanismos, sistemas e software de tratamento da informação resultante
da cadeia de medida, fornecendo ao operador dados cada vez mais fiáveis, menos subjetivos e
fáceis de interpretar (e.g. por redução do ruído).
Quanto ao sistema desenvolvido, existe espaço para melhoramentos essencialmente a
dois níveis: na sua eficiência e na sua capacidade de medida.
No âmbito da eficiência, a introdução de um mecanismo de movimentação automática da
sonda num eixo y, transversal ao scanner, permitrá aumentar significativamente a velocidade
de inspeção por aumentar a área varrida por passagem. Nesta categoria também seria
proveitoso o aumento do número de rodas motrizes de modo a aumentar a capacidade de
tração do scanner, prejudicando a sua manobrabilidade.
Relativamente à sua capacidade de medida, a configuração atual encontra-se limitada à
medição de espessuras (o objetivo do projecto HiTRUST) por a sonda utilizada ser direita.
Neste campo, a utilização de uma sonda angular permitiria a procura de outro tipo de defeitos e
o controlo de soldaduras. Seria igualmente vantajosa a utilização de outras técnicas avançadas
de ultra-sons como o ToFD e o Phased Array, que permitem uma maior sensibilidade e
resolução, técnicas que atualmente se encontram limitadas pela dificuldade associada à
criação do meio acoplante.
Uma das limitações do sistema desenvolvido prende-se com a necessidade do material
a inspecionar ser condutor elétrico (imposta pela técnica de EMAT) e ferromagnético (imposto
pelas rodas magnéticas). Seria vantajosa criação de mecanismos de adaptação do scanner a
um sistema, por exemplo um anel, que permita a inspeção de tubagens de aço inoxidavel (não
ferrítico).
Seria tambem vantajoso um aumento de autonomia do sistema através da possibilidade
de alimentação por baterias elétricas e a criação de uma unidade de ar comprimido própria.
Deste modo, aumenta-se a gama de componentes a inspecionar por deixar de existir a
dependência de energia e ar da instalação, este último que muitas vezes já vem quente,
prejudicando a eficiência do sistema de arrefecimento.
No que toca à alta temperatura, a evolução e o desenvolvimento na Ciência dos
Materiais permitirão o aparecimento de novos materiais com melhores propriedades e maior
resistência ao calor, possibilitando o aumento da gama de aplicabilidade do sistema
desenvolvido.
79
7. Referências
[1] Bergamder, M., EMAT thickness measurement for tube in coal-fired boilers, Apllied Energy, No.74, pág. 439-444,2003
[2] The American Society for Nondestructive Testing, Inc., https://www.asnt.org/MinorSiteSections/AboutASNT/Intro-to-NDT.aspx. (acedido em Abril 2015)
[3] NDT Resource Center, ,https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/communitycollege.htm (acedido em Maio 2015)
[4] ALMEIDA, Filomena Pinto, BARATA, João, BARROS, Pedro, ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS, ISQ Edições Técnicas,1992
[5] NDT Resource Center ,https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/EddyCurrents/cc_ec_index.htm (acedido em Maio 2015)
[6] NDT Resource Center, https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/Introduction/description.htm (acedido em Maio 2015)
[7] NDT Resource Center, https://www.nde-d.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/Physics/modepropagation.htm, (acedido em Maio 2015)
[8] Dhayalan, R., Balasubramaniam, K., A hybrid finite element model for simulation of electromagnetic acoustical transducers (EMAT) based plate waves, NDT&E International, 43, pag. 519-526,2010
[9] NDT Resource Center, https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/EquipmentTrans/piezotransducers.htm (acedido em Maio 2015)
[10] Cegla, F, et al., High-Temperature (>500ºC) Wall Thickness Monitoring Using Dry-Coupled Ultrassonic Waveguide Transducers, IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, Vol.58, No.1, Janeiro 2011
[11] Scruby, C.B.,Moss, B.C., Non-contact ultrassonic measurements on steel at elevated temperatures, NDT&E International, Vol. 24, nº4, 1993
[12] Kowacki,K.,Kasprzyk, W., The sound velocity in an Allow Steel at High-Temperature Conditions,Int, J Thermophysm pág 103-112, 2010
[13] Date, E. et al, Measurement of the elasticityand ultrasound velocicites of steel, Ultrasonics, 1971 [14] Hernandez.Valle, F.,Dixon, S., Pulsed electromagnet EMAT for ultrasonic measurements at
elevated temperatures, Insight, Vol. 53, No. 2, 2011 [15] Anderson, M., Phased Array Testing: Basic Theory for Industrial Applications, OLYMPUS NDT,
2011 [16] Olympus - Tutorial Phased Array, http://www.olympus-ims.com/pt/ndt-tutorials/phased-array/
(acedido em Abril 2015) [17] Dubé, N., Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications: R/D
Tech Guideline, OLYMPUS NDT, 2005, ISBN 0-9735933-4-2
[18] Bercli, http://www.bercli.net/documentation/article_principles.htm (acedido em Abril 2015) [19] https://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight_diffraction_ultrasonics (acedido em Junho 2015) [20] http://www.ndt.net/article/tofd/hecht/hecht.htm (acedido em Junho 2015) [21] Blomme, E., Air-coupled ultrasonic NDE: experiments in the frequency range 750Hz-2MHz,
NDT&E International. 35, pag. 417-426, 2002 [22] Jian, X et al, Steel billet inspection using laser-EMAT system, IOP publishing ,J. Phys. D.,40 ,
pag. 1501-11506 (2007) [23] Jian, X., et al, In-plane and Out-of-plane Particle Velocity Measurements using Electromagnetic
Acoustical Transudcers. [24] Krautkrämer, J., Krautkrämer, H., Ultrasonic Testing of Materials, 3ª Ed.,Springer-Verlag Berlin
Heiderlberg New York,1983, ISBN:3-540-11733-4 [25] NDT Resource Center, https://www.nde-
ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Ultrasonics/EquipmentTrans/emats.htm, (acedido em Fevereiro 2015)
[26] Gori, M., EMAT transducers and thickness characterization on aged boiler tubes, Ultrasonics 34,pág.339-342,1996
[27] Green, R, Non-contact Ultrassonic Techniques, Ultrasonics, Vol.42, pag 9-16, 2004 [28] Hernandez.Valle, F.,Dixon, S., Initial tests for designing a high temperature EMAT with pulsed
electromagnet, NDT&E International 43,pag. 171-175, 2010 [29] HO. K et al, Applications of pulse compression signal processing techniques to electromagnetic
acoustic transducers for noncontact thickness measurements and imaging, Review of Scientific Instruments, 76, 2005
[30] Mirkhani, K. et al, Optimal design of EMAT transmitters, NDT&E International, 37, pag. 181-193, 2004
80
[31] Murayama, R., et al., Development of an ultrasonic inspection robot using an electromagnetic acoustic transducer for a Lamb wave and an SH-plate wave, Ultrasonics, Vol. 42 pág. 825-829, 2004
[32] Uchimoto,T. et al, Evaluation of an EMAT-EC dual proble in sizung extent of wall thinning, NDT&E International, 62, pag. 160-166, 2014
[33] Leitão, D, Silva L., Apresentação “Técnicas Estabelecidas e Avançadas de Ensaios Não Destrutivos - EMAT-Transdutores Acusticos Electromagnéticos” , ISQ
[34] Shujuan, W., et al., Research on Influence of Lorentz Force Mechanism on EMAT’S Transduction Efficiency in Steel Plate, IEEE,2010
[35] Nagy, P. et al, Corrosion and erosion monitoring in plates and pipes using constant goup velocity Lamb wave inspection, Ultrasonics, 2014
[36] Innerspec,temate®PowerBox H Operations Manual, Innerspec Technologies, Inc 2012 [37] Petcher, P. et al, A new electromagnetic acoustic transducer (EMAT) design for operation on rail,
NDT&E International, 65, pag. 1-7, 2014 [38] Huang, S. et al, Study on the lift-off effect of EMAT, Sensors and Actuators A153, pag. 218-221,
2009 [39] Jian, X. et al, Coupling mechanism of an EMAT, Ultrasonics, 44,2006 [40] Cegla, F.B., High temperature ultrasonic crack monitoring using SH waves, ELSEVIER, NDT&E
International, Vol. 44, pag. 669-679, 2011. [41] Permasense,http://www.permasense.com (acedido em Abril 2015) [42] Hirao, M., Ogi, H., An SH-wave EMAT technique for gas pipeline inspection, NDT&E
International, 32, pág. 127-132,1991 [43] Burrows, S.E., et al, High temperature thickness measurements of stainless steel and low carbon
steel using electromagnetic acoustic transducers, NDT&E International, Vol. 68, pag. 73-77, 2014 [44] Dixon S., Detection of cracks in metal sheets using pulsed laser generated ultrasound and EMAT
detection, ELSEVIER, Ultrassonics 51, pag. 7-16, 2011 [45] Olympus, http://www.olympus-ims.com/pt/ndt-tutorials/instrumententation/ascan/, (acedido em
Abril 2015) [46] Olympus, http://www.olympus-ims.com/pt/ndt-tutorials/instrumententation/cross-bscan/ (acedido
em Abril 2015) [47] Olympus, http://www.olympus-ims.com/pt/ndt-tutorials/instrumententation/cscan/ (acedido em
Abril 2015) [48] Innerspect: http://innerspec.com/products, (acedido Fevereiro 2015) [49] Innerspect: http://innerspec.com/products/portable-instruments/temate-powerbox-h (acedido em
Abril 2015) [50] Maxon Motor Ag. http://www.maxonmotor.com/maxon/view/content/index, (Acedido em Junho
2015) [51] Site AZPNEUMATICA,
http://www.azpneumatica.com/it/ba005ad805eb44a5378381a6c27de0f2/prodotti.html (Acedido em Junho 2015)
[52] https://www.corning.com/worldwide/en/products/advanced-optics/product-materials/specialty-glass-and-glass-ceramics/glass-ceramics/macor.html (acedido em Fevereiro 2015)
[53] Incropera, F. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 6ª Edição,Wiley, ISBN:978-4-470-05554-0
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8. Anexos
8.1. Anexo A – Desenvolvimento do Scanner
8.1.1. Versão A
Figura 100- Primeira versão do scanner
A versão A foi a primeira iteração no projeto do scanner. Nesta versão os motores
encontram-se dispostos transversalmente, transmitindo o movimento através de uma
engrenagem que aciona uma correia polimérica reforçada com aço. Esta correia está ligada a
dois pares de rodas (as duas do lado direito ou do lado esquerdo).
Esta versão tem como principais características:
Rodas arrefecidas;
Motores dispostos transversalmente;
Transmissão por correias;
Esticador de correia através de um sistema de polias.
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Para permitir o correto funcionamento a alta temperatura, sem desmagnetização dos
ímans das rodas, estas têm de ser arrefecidas por água que circula em circuito fechado.
Os canais de arrefecimento em espiral, maquinados na roda, possibilitam a passagem
de água de uma roda para a outra, arrefecendo no percurso o íman. Posteriormente, arrefece a
engrenagem e passa para o segundo par de rodas, com uma trajetória análoga.
Cada sistema é composto por dois pares de rodas, nas quais foram maquinados canais
para a passagem da água. Entre as rodas de cada par está situado um íman e um casquilho
furado, o qual permite a passagem da água de uma roda para a outra, arrefecendo o íman.
Figura 102 - Roda da versão A
A transmissão independente entre os pares de rodas de cada lado permite que o
scanner descreva trajetórias lineares e não lineares, uma vez que a velocidade de cada grupo
é independente da do outro.
Figura 101 - Esquema versão A
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Esta disposição de motores confere a esta versão a vantagem de apresentar uma altura
reduzida (80mm), respeitando assim todos os constrangimentos de altura existentes no local
de inspeção.
As desvantagens desta versão prendem-se com a elevada área da base que origina e
consideráveis zonas mortas (zonas onde não é possível fazer inspeção). A existência das
correias poliméricas também traz problemas quando exposta a alta temperatura.
As principais vantagens deste protótipo são:
A altura reduzida, fator importante devido aos constrangimentos que os
equipamentos a inspecionar possuem;
Os quatro pares de rodas refrigeradas que garantem um bom acoplamento à
superfície a inspecionar e uma boa estabilidade ao protótipo.
As desvantagens desta versão são:
A grande área da base, a qual não é favorável para ultrapassar os
constrangimentos dos equipamentos;
As zonas mortas, áreas que não podem ser inspecionadas;
As correias poliméricas, as quais não têm grande resistência às altas
temperaturas.
Figura 103 - Versão B, completa (à esquerda), sem tampa (à direita)
84
8.1.2. Versão B
Esta segunda versão partiu da anterior, mas com o objetivo de reduzir a área da base,
estando agora os motores dispostos na vertical.
As restantes características foram mantidas, tendo sido desenvolvidas novas:
Rodas arrefecidas;
Transmissão por correias;
Esticador de correia através de um sistema de polias;
Base isolante.
Para proteger o scanner de uma forma mais eficiente, foi introduzida uma tampa
construída num cerâmico maquinável resistente a alta temperatura que permite um “efeito de
caixa de ar”, isolando termicamente a base do scanner e os seus componentes.
Figura 104 - Tampa inferior de proteção térmica
Nesta versão, a transmissão do movimento dá-se de modo análogo à da versão anterior,
apresentando pequenas alterações. Nesta versão a transmissão é feita recorrendo a
engrenagens cónicas para permitir a mudança de direção do movimento e o percurso da
correia foi alterado: agora, após o contacto com as rodas motrizes do scanner, a correia volta à
parte superior, que se encontra a uma temperatura inferior. Deste modo, protege-se a correia
da alta temperatura e consegue-se aumentar o seu tempo de vida.
O sistema de arrefecimento das rodas não teve qualquer alteração mas foram
introduzidas ventoinhas numa das laterais que permitem o escoamento de ar “frio” dentro da
tampa do scanner, forçando deste modo a troca de calor com o meio exterior por conveção.
Nesta versão, a nova disposição de motores permite uma redução da área da base e
mantém as 4 rodas motrizes.
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A alteração da disposição dos motores aumentou a altura e, embora menores,
continuam a existir elevadas áreas mortas, onde não é possível inspecionar por colisões entre
o scanner e o equipamento.
As principais vantagens deste protótipo são:
A redução da área da base e, consequentemente, das zonas mortas;
Os quatro pares de rodas refrigeradas;
A base inferior que permite o isolamento térmico da zona do scanner que fica
mais próxima das superfícies a inspecionar através do efeito de caixa de ar.
As desvantagens desta versão são:
Aumento da altura do scanner;
As correias poliméricas, as quais não têm grande resistência às altas
temperaturas.
8.1.3. Versão C
Esta terceira versão do protótipo é significativamente diferente das anteriores. As suas
principais características são:
A presença de duas rodas motrizes e de uma esfera omnidirecional
responsável pelo movimento, direção e estabilidade do scanner;
Íman de Samário-Cobalto junto à esfera;
Figura 105 - Comparação entre área da base das duas versões
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Transmissão direta às rodas.
A terceira versão teve como objetivo o aumento da manobrabilidade do scanner. Como
tal, foram retirados dois pares de rodas e o apoio passou a ser feito por duas rodas na
retaguarda e uma esfera omnidirecional na parte da frente do scanner.
A transmissão passa agora a ser feita diretamente à roda através de engrenagens
cónicas, sem a existência da correia.
Figura 106 - Versão C
Figura 107 - Versão C (sem tampa)
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Figura 108 - Versão C - Transmissão
Torna-se apenas necessário introduzir um íman em torno na esfera omnidirecional para
permitir a fixação do scanner ao componente a inspecionar.
Figura 109 - Esquema Versão C
À semelhança das versões anteriores, a sonda permite um ajuste angular e em
profundidade. Este ajuste é feito inclinando o berço polimérico que rodeia a sonda e ajustando
a posição do berço, em altura, em relação ao suporte.
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Figura 110 - Dispositivo de fixação da sonda
Esta versão origina ganhos relacionados com a maior mobilidade do scanner, facilitada
pela esfera, e com a redução da área da base, comparativamente a A) e B). Eliminam-se
também as correias e reduzem-se significativamente as zonas mortas.
Como desvantagens, esta versão apresenta um menor número de ímans, obrigando a
um aumento da força individual, e apresenta apenas duas rodas motrizes.
Figura 111 - Comparação entre versões
270x260x80
230x245x195
175x220x165
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As principais vantagens deste protótipo são:
Redução da área da base;
As duas rodas motrizes e a esfera omnidirecional conferem uma maior
facilidade de efectuar trajetórias não lineares e de efetuar offsets;
A transmissão direta permite evitar o uso das correias poliméricas;
A base inferior que permite o isolamento térmico da zona do scanner que fica
mais próxima das superfícies a inspecionar através do efeito de caixa de ar.
As desvantagens desta versão são:
A estabilidade e o acoplamento do scanner à superfície são menores, pois é
garantida apenas pelas duas rodas motrizes e pela esfera.
8.1.4. Versão D
Nas opções anteriores foi sempre considerado um scanner, primeiro com quatro e
depois com três apoios, e a sonda, como apoio auxiliar, cujo suporte permitia o seu ajuste
angular e em altura.
Nesta nova versão um dos apoios é removido, ficando agora o scanner apoiado em duas
rodas, em que o terceiro apoio é a sonda. Deste modo, deixa de ser necessário o ajuste em
profundidade da sonda e as dimensões da base podem ainda ser mais reduzidas.
Esta alteração faz com que a sonda se desloque para a frente, dando espaço para que
os motores possam ser inclinados para a frente, reduzindo assim a altura do scanner.
Figura 112 - Comparação de áreas mortas
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Com o objetivo de diminuir as suas dimensões gerais, o sistema de transmissão foi
alterado, introduzindo-se um sistema de transmissão por engrenagem sem-fim. A disposição
dos motores mantém-se inclinada, mas agora no sentido longitudinal do scanner.
Por a relação de transmissão do sem-fim ser superior à anterior, com engrenagens, o
binário solicitado ao motor diminui. Portanto, para não se perder muita velocidade em
detrimento da força, o trem de engrenagens epicicloidais da caixa de velocidades do motor não
necessita de ser tão desmultiplicado, ou seja, é possível adquirir um conjunto Maxon® com
menos um andar de redução. Desta maneira, não só a relação total de transmissão se
mantém, como é possível retirar 5 mm ao comprimento total do conjunto motor-caixa de
velocidades-encoder, dando origem a um scanner mais compacto.
Figura 113 - Versão D
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8.2. Anexo B – Influência da temperatura na atenuação
Figura 114 - A-Scan t=26 ºC
Figura 115 - A-Scan t=100 ºC
Figura 116 - A-Scan t= 150 ºC
Figura 117 - A-Scan t= 180 ºC
Figura 118 - A-Scan t=320 ºC
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8.3. Anexo C – Estado do scanner durante a inspeção
dos vários componentes
Figura 119 - Estado do scanner durante inspeção da tubagem baixa pressão
Figura 120 - Estado do scanner durante a inspeção do Dolezal
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Figura 121 - Estado do scanner após inspeção de tubagem (475ºC)
Figura 122 - Estado do scanner durante inspeção da tubagem (ao fim de 5 min)
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8.4. Anexo D – Termografia do scanner durante a
inspeção
Figura 123 - Scanner durante a inspeção do Dolezal (260-320 ºC)
Figura 124 - Temperatura da sonda sem (à esquerda) e com (à direita) sistema de arrefecimento
no momento em que o scanner foi retirado da superficie (em cima) e após 20 segundos (em baixo)