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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

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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

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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

81

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.

82

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

83

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.

85

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

86

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)

87

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.

88

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

89

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

90

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

91

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

92

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

93

Figura 121 - Estado do scanner após inspeção de tubagem (475ºC)

Figura 122 - Estado do scanner durante inspeção da tubagem (ao fim de 5 min)

94

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)

95

8.5. Anexo E – Temate PowerBox H

Figura 125 - Especificações Temate PowerBox H