INSPEÇÃO DE JUNTAS SOLDADAS ATRAVÉS DE RADIOGRAFIA

COMPUTADORIZADA COMO FERRAMENTA DE AVALIAÇÃO DE ENGENHARIA

João Carlos Videira José, Hilton Sérgio B. Milani e Eliseu Almir de Oliveira Paes

ARCtest Serviços Técnicos de Inspeção e Manutenção Industrial Ltda. Av. Constante Pavan, 495 – Cep. 13.140-000 – Betel – Paulínia – São Paulo

Tel.: (19) 3884-9960 – Fax.: (19) 3884-7085 Home Page: www.arctest.com.br - e-mail: tecnica@arctest.com.br

João Henrique de Oliveira Hein – Flávio Augusto dos Santos Serra joaohein@petrobras.com.br - serra@petrobras.com.br

PETROLEO BRASILEIRO S/A – PETROBRÁS – REPLAN

José Maurício Barbosa Rabello mauriciorabello@petrobras.com.br

PETROLEO BRASILEIRO S/A – PETROBRÁS – ENGENHARIA / SL / SEQUI

PALAVRAS CHAVE: Radiografia Computadorizada, Inspeção de Juntas Soldadas, Avaliação de Engenharia, Tubulações de processo, Sensibilidade radiográfica, Penumbra geométrica, Vantagens de Radioproteção. EVENTO: 3rd PAN-AMERICAN CONFERENCE FOR NONDESTRUCTIVE TESTING. 02 a 06 de Junho de 2003 – Rio de Janeiro /RJ As informações e opiniões contidas neste trabalho são de exclusiva responsabilidade dos autores

02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003Rio de Janeiro - RJ - Brasil

1- INTRODUÇÃO Desde a década de 80 do século passado que a radiografia computadorizada (RC) tem sido utilizada na área médica [1]. As utilizações desta tecnologia na área industrial são mais recentes, remontando ao final de década de 90 como pode-se verificar dos trabalhos apresentados no 7th European Conference on Non-destructive Testing [2]. Esta tecnologia ficou restrita a área médica no país até o ano de 2000, quando a PETROBRAS - REPLAN se interessou nos testes, então em andamento na ARCtest, para utilizar um equipamento de radiografia computadorizada desenvolvido para a área médica na área industrial. A aproximação entre as duas empresas na época permitiu que a técnica fosse utilizada comercialmente para avaliação de integridade de tubulações na REFINARIA DE PAULÍNIA (PETROBRÁS - REPLAN). As vantagens do uso da técnica nesta área levaram a estudos visando à utilização da técnica para avaliação de juntas soldadas. Os resultados alcançados em testes com corpos de prova com descontinuidades e as vantagens de produtividade conjugadas com a maior segurança permitiram que a técnica de radiografia computadorizada fosse utilizada no controle de qualidade de juntas soldadas na troca do superaquecedor da Caldeira de CO da REPLAN com bons resultados. 2- RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC A RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA (RC) utilizando placas de fósforo (IP), ou FILMLESS RADIOGRAPHY basicamente utiliza os mesmos recursos para execução da radiografia convencional, porém com a diferença básica de que o filme radiográfico é substituído por uma placa de material sensível a radiação ionizante (placa de fósforo flexível). Esta placa de fósforo contém cristais cujos elétrons se posicionam em órbitas de alta energia após serem estimulados por uma radiação ionizante. Tais elétrons, instáveis, podem reverter à situação de equilíbrio devido ao principio da luminescência fotoestimulada, que basicamente é a capacidade que possuem certos materiais de absorver energia e liberarem esta em forma de luz [3]. Na RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA (RC) a placa sensível à radiação contém partículas que absorvem a radiação emitida por uma fonte adequada (fonte de raios-X ou radiação gama). Estas partículas posteriormente são excitadas por um feixe de laser emitindo luz. A luz emitida é captada num fotomultiplicador e gera uma imagem digital que é exposta numa tela de computador [3]. A utilização da técnica traz grandes vantagens:

• Possibilidade de reutilização das placas de fósforo;

• Menor tempo de exposição (as telas de fósforo são sensibilizadas com até 20 vezes menos radiação do que os filmes Classe II);

• Eliminação das etapas demoradas de revelação e fixação dos filmes convencionais (dispensa-se câmara escura necessitando apenas de sala com penumbra de aproximadamente 10 lux);

• Não requer equipamento sofisticado para mostrar as imagens (permite gerar imagens em computadores pessoais).

Também é importante frisar que permite utilizar fontes de raios gama de baixíssima atividade:

• 18,5 GBq à 370 GBq (0,5 à 10 Ci) de Se-75;

• 370 GBq (10 Ci) de Ir-192. 3- HISTÓRICO Durante o ano de 2000, a ARCtest iniciou o desenvolvimento das pesquisas de adaptação do método de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC, originariamente concebido para a área médica, para a Industria, buscando inicialmente atender às exigências das Plantas de Processo, quanto à detecção de mecanismos de deterioração (avaliação de integridade de tubulações).

Devido ao excelente resultado alcançado, vislumbrou-se a possibilidade de se utilizar a RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC na inspeção radiográfica na parada da Unidade de Craqueamento Catalítico da PETROBRÁS - REPLAN, especialmente na troca do superaquecedor na Caldeira de CO [4], onde se previa uma grande quantidade de juntas soldadas de pequenos diâmetros.

Os diversos códigos que regulamentam a utilização da técnica radiográfica, recomendam o uso da técnica Parede Dupla - Vista Dupla, PD-VD , para diâmetros até 3 ½”, podendo ser utilizadas tanto a técnica da elipse com a de imagem sobreposta, sendo à distância-fonte-filme mínima de 700mm.

Devido a orientações normativas internas, somente é permitida a utilização de fontes de Ir 192 com atividade máxima de 20Ci nas unidades industriais da PETROBRAS, os tempos de exposição para a técnica PD-VD, para tubos com até 5,5mm de espessura são aproximadamente 22 minutos por filme, totalizando 1 hora por junta incluindo a montagem do arranjo radiográfico. Outra limitação é o período de tempo dado na Permissão de Trabalho, para a execução de atividades de radiografia. Todas estas limitações levavam a atividade de radiografia a se tornar caminho crítico na parada.

Como alternativa para se diminuir o tempo de fonte exposta e aumentar a produtividade, foi estudada a utilização da técnica Parede Dupla - Vista Simples (PD-VS), que melhoraria mas não resolveria o problema.

Para contornar todas essas limitações foi proposto pela ARCtest, um projeto de Instrução para execução de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC em juntas soldadas de pequeno diâmetro [5] que foi avaliado pelo Setor de Certificação, Qualificação e Inspeção da PETROBRAS - SEQUI. 4. AVALIAÇÃO DO PROJETO DE INSTRUÇÃO

Como ainda não há uma norma específica que defina variáveis essenciais para a técnica de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC, adotou-se avaliar o procedimento proposto a luz das normas: ASME V [6] e a EN1345 [7], e de uma proposta de norma da União Européia sobre RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC (Non destructive testing - Industrial computed radiography with phosphor imaging plates), discutida por Uwe e Zscherpel [8] no 15º congresso mundial sobre ensaios não destrutivos de 2000 (Roma, 2000) [a.].

A metodologia empregada para a avaliação da radiografia convencional emprega o conceito da penumbra (unsharpness) e sensibilidade radiográfica. No primeiro caso o que se procura é limitar a penumbra geométrica devido ao fato da fonte ter um tamanho finito em vez de pontual (empregam-se fórmulas de cálculo que estabelecem a distância fonte-filme em função do tamanho da fonte), e no segundo caso o que se procura é garantir a detectabilidade de descontinuidades de determinado tamanho, empregando-se para tal; Indicadores de Qualidade de Imagem – IQIs.

No caso da RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC devido ao fato das imagens serem rasteirizadas (formadas por um arranjo de pontos ou pixels), a sua resolução espacial é intrinsecamente menor que a obtida pela radiografia convencional; embora permita um maior range dinâmico [3], o que está sem dúvida ligado a maior gama de tons cinza que cada pixel da tela permite. O resultado desta menor resolução espacial resulta na preocupação do projeto de norma européia em utilizar dois tipos de indicadores; um para avaliar a resolução espacial e outro para o contraste. Portanto, ao contrário da radiografia convencional que avalia as radiografias com o auxílio de um único indicador (de sensibilidade ou contraste), as radiografias convencionais são avaliadas com uso de dois indicadores: um para resolução espacial e outro para o contraste.

a A proposta de norma (Non destructive testing - Industrial computed radiography with phosphor imaging plates) está subdividida em duas partes (Part 1: Classification of Systems e Part 2: General principles for examination of metallic materials using X-rays and gamma rays). No trabalho apresentado em Roma, 2000 foi discutida a parte 2. As últimas revisões de ambas as partes podem ser encontradas no site: < http://trappist.kb.bam.de/UA-CR/welcome.html >.

4.1- CRITÉRIO DE SENSIBILIDADE RADIOGRÁFICA E PENUMBRA GEOMÉTRICA

As imagens geradas pela técnica de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC foram avaliadas primeiramente quanto aos requisitos do código ASME V e depois quanto aos requisitos da norma EN 1435. Ambas as normas estipulam uma distância fonte-filme mínima para evitar uma penumbra geométrica inadequada e utilizam um indicador (IQI) para sensibilidade na forma de fios paralelos de diâmetro conhecido. A norma americana (ASME V) utiliza o IQI de fios da norma ASTM E747 [9] enquanto a EN1435 utiliza o IQI de fios da norma EN 462-1 [10], mas utilizando as tabelas específicas da EN 462-3 [11].

4.2- CRITÉRIO DE AVALIAÇÃO DA RESOLUÇÃO ESPACIAL

A RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC pelo projeto de norma europeu CEN TC138/WG1, requer uma avaliação também pelo indicador de fios paralelos, para assegurar uma adequada resolução espacial. Portanto, além de atender aos critérios de sensibilidade utilizando IQI conforme EN-462-1, requer-se também o atendimento aos critérios de resolução espacial onde se utiliza um indicador de fios paralelos conforme norma EN 462-5 [12].

Figura 1 – I.Q.Is. citados no projeto de Norma Européia.

Obs: Indicadores de fios paralelos foi utilizado somente quando da verificação de desempenho, devido a impossibilidade de ser posicionado dentro dos tubos. 4.3- REQUISITOS DAS NORMAS PESQUISADAS X RESULTADOS OBTIDOS 4.3.1- Técnica utilizada - PD-VS Quando possível, os códigos (ASME, DIN e EUROPEAN NORME), recomendam o uso da técnica PD-VD (“Elipse”), para diâmetros de 2” a 3”, porém devido aos altos tempos de exposição (aproximadamente 22 minutos por filme – 1 hora por junta incluindo arranjo radiográfico) e em função das atividades de fonte máximas previstas (20 Ci), obrigou-nos a migrar para técnicas alternativas com PDVS, porém ainda em conformidade com as normas, as quais por reduzirem as DFF, proporcionam tempos de exposição extremamente pequenos por junta com fontes de baixas atividades otimizando assim o uso das RADIAÇÕES IONIZANTES. 4.3.2- Resultados Obtidos quanto à detecção de descontinuidades Foram realizadas radiografias convencionais na técnica PD-VD e PD-VS, com filmes classe I e classe II respectivamente em 8 amostras de diâmetro 2” e 5,5 mm de espessura preparadas pelo SETEC - REPLAN e 1 amostra de diâmetro 3,5” e 5,5 mm de espessura preparada pelo SEQUI – PETROBRÁS. Em seguida utilizou-se a técnica proposta de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC. Nota: Não se verificou diferença no laudo entre as técnicas.

4.3.3- Comparações entre os requisitos exigidos por Normas para RADIOGRAFIA CONVENCIONAL e PROJETOS DE NORMAS PARA RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC

Demonstraremos na tabela abaixo os padrões requeridos pelas normas para visualização dos I.Q.Is. e Penumbra Geométrica, anteriormente citadas e a respectiva detecção e diferenças observadas na técnica PD-VS.

I.Q.I. de Arame ASTM requerido para Radiografia Convencional (faixa de espessura somada 01 parede + reforço de solda: entre 6,4 e 9,5 mm)

Detecção pela Radiografia Computadorizada - RC

I.Q.I. de Arame BS-EN-462-3 (1)

(faixa de espessura, somadas as duas paredes do tubo: entre 10 e 15 mm – Tabela 9, Item 4.2)

Detecção pela Radiografia Computadorizada - RC

Fio Requerido Diâmetro do fio em (mm)

Fio Detectado

Diâmetro do fio em

(mm)

Diferença não

visualizada

Fio Requerido (qualidade de imagem “Classe A”)

Diâmetro do fio em (mm)

Fio Detectado

Diâmetro do fio em (mm)

Diferença não visualizada

SET – A – 0,008”

0,200mm SET – A –

0,010” 0,250 mm 0,05 mm W-13

(Para radiação gama)

0,200 mm W-12 0,250 mm 0,05 mm

I.Q.I. para verificação da resolução espacial – Penumbra norma BS-EN-

462-5 e pr-EN-13068-3 – (EN-444) (faixa de espessura até 40 mm)

Detecção pela Radiografia Computadorizada - RC Penumbra Requerida

pelo ASME

Penumbra atingida pela pr-IT-002-RC

(utilizando-se o DFT = 85 mm, para a situação real - ∅n = 2”

esp = 5,5 + 3,2 = 8,7 mm) 1os. pares que

mergem requeridos

Penumbra correspondente

1os. pares que mergem detectados

(situação real) Penumbra

correspondente Diferença não

visualizada

0,51 0,53 8 D (2) – (3) 0,32 7 D (3) 0,40 0,08 mm

Nota: Salientamos que os parâmetros acima foram testados de acordo com normas que foram concebidas para radiografia e radioscopia convencional. (1): Non-destructive testing – Image quality of radiographs – Part 3. Image quality classes for ferrous metals (2): Para este quesito a norma BS-462-5, prevê o uso do penetrômetro lado fonte, todavia não contempla situações geométricas especificas que proporcionam

distâncias entre penetrômetro e superfície interna a serem examinadas, (concavidade de tubos). Também desconhecemos qualquer referencia a esta situação na pr-EN-13068-3. O penetrômetro duplex foi colocado internamente aos tubos de 2” e 3,5” não tendo portanto um assentamento correto (concavidade dos tubos) sobre o mesmo o que provoca uma projeção radiográfica que não reflete a realidade de um possível defeito na raiz da solda. Espaço entre o penetrômetro e a raiz da solda +/- 4 mm.

(3): Caso o objetivo seja atender a Norma ASME, cuja exigëncia para o quesito PENUMBRA (0,51 mm), com o Penetrömetro DUPLEX estabelecido na BS-EN-462-5. os 1os. pares que mergem requeridos seriam os pares 6D, cuja penumbra relativa é de 0,50 mm, portanto como na prática encontrou-se os pares 7D, poderiamos afirmar por este prisma que a técnica atende a PENUMBRA requerida. .

4.3.4- Imagens efetuadas com o ensaio de RC e técnica PD-VS, para verificação do desempenho em corpos de prova com descontinuidades conhecidas

CORPO DE PROVA DE 3” esp. 6,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN – USO DO RECURSO 3D.

CORPO DE PROVA DE 3” esp. 6,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN – USO DO RECURSO 3D.

CORPO DE PROVA DE 3” esp. 6,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DUPLEX – USO DO RECURSO 3D.

CORPO DE PROVA DE 2” esp. 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DUPLEX – USO DO RECURSO 3D.

4.3.4 - Produtividade e Segurança Pelas vantagens descritas nos itens acima, obtem-se um nível de produtividade estimado de aproximadamente 6 juntas por hora em condições normais de trabalho contra 1 junta por hora no processo convencional. Quanto a segurança é fácil observar como no exemplo citado abaixo: Em uma carga horária de 4 horas de área liberada para Gamagrafia teremos:

PARÂMETRO RADIOGRAFIA CONVENCIONAL

RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC

Técnica PD-VD PD-VS

Produção estimada 8 filmes – 4 juntas = 4 horas de fonte exposta (*)

96 filmes – 24 juntas = 1,5 hora de fonte exposta

Isótopo Ir-192 Se-75 Atividade 20 Ci 0,5 Ci Fator de colimação 20 x 20 x Raio de Balizamento para Indivíduos de Público 100 metros 5 metros (*) – Seria impossível realizar os 8 filmes neste prazo pois o tempo de área liberada é o mesmo de fonte exposto, logo seria impossível a realização de 8 filmes pois não se teria tempo para a preparação e ajustes do arranjo radiográfico.

5- PROCESSO DECISÓRIO A decisão de utilizar a RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC, embora não atendendo aos padrões vigentes para a radiografia convencional, foi tomada tendo como base que:

• Em todos os corpos de prova testados foi possível visualizar claramente as descontinuidades, tanto na RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC, como na radiografia convencional;

• Por não existir em vigor uma norma específica, mandatória, sobre o tema; permitiu uma análise

mais focada nos benefícios e não no estrito atendimento a regras descritas em normas; • A utilização da radiografia convencional não permitiria atender a demanda mínima de

porcentagem de soldas radiografadas no prazo de manutenção estipulado, ao passo que a utilização da RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC permitiu atender com folga este limite e até superar a porcentagem mínima exigida;

• A utilização desta técnica permitiria aumentar a segurança intrínseca na execução da radiografia,

pois a fonte utilizada foi de 0,5 Ci de Se-75, (os resultados práticos de medições durante os trabalhos de campo não acusaram radiação no limite de detecção dos aparelhos utilizados (Geigers), fora da câmara de combustão da Caldeira de CO).

6- CONCLUSÕES QUANTO AO USO DA TÉCNICA DA RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA-RC COMO FERRAMENTA DE AVALIAÇÃO DE ENGENHARIA. Os resultados do processo de qualificação da RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA - RC, embora não atendendo integralmente aos parämetros utilizados na avaliação da radiografia convencional, são satisfatórios com vistas aos resultados desejados. A qualidade das radiografias se mostrou adequada (dentro do previsto nos resultados experimentais). Quanto aos resultados práticos os fios de penetrômetro visualizados nas radiografias nunca foram inferiores ao FIO 11. Com relação a detecção o ensaio permitiu uma clara visualização das descontinuidades (facilitados principalmente pela utilização de ferramentas 3D do Software). Pode-se afirmar que os resultados obtidos nas 321 radiografias efetuadas com o método de RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC, foram satisfatórios pois se mantém a repetitibilidade e a perfeita detecção das descontinuidades geradas pelo processo de soldagem, conforme pode ser visto em algumas imagens de juntas soldadas no ANEXO I. Outro ponto positivo foi à rapidez de processamento das imagens radiográficas, aliada ao trabalho no horário de almoço, o que permitiu a coordenação da parada acompanhar e re-programar os serviços de solda com mais eficácia. O aspecto inovador do uso da técnica é a sua maior segurança intrínseca, obtida com o uso de fontes de baixíssima atividade (0,5 Ci Se-75) e pelo menor tempo de exposição requerido. Foi este aspecto que permitiu, mesmo em uma PARADA GERAL DE UNIDADE, trabalhos radiográficos rotineiros nos horários de almoço e janta. 7- AGRADECIMENTOS. - Ao Eng. Flávio dos Santos Serra e João Henrique de Oliveira Hein PETROBRÁS - REPLAN, bem como Eng. José Maurício Barbosa Rabello- PETROBRÁS SEQUI e Eng. Paulo Cacciamani – REFINARIA IPIRANGA, pelo apoio e reconhecimento da técnica mesmo estando na época em fase de desenvolvimento.

8- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

1 HOLOGIC. Digital radiography systems: An overview. Site: <http://www.hologic.com/prod-dr/pdf/dr-whtpap.pdf>. Consultado em Junho de 2002. 2 7th European Conference on Non-destructive Testing. Site:< http://www.ndt.net/abstract/ecndt98/ecndt98.htm>. Consultado em Junho de 2002. 3 FUJIFILM. Computed Radiography for NDT. 4 Anotações da reunião entre a ARCTEST, PETROBRAS/REPLAN (SERRA), PETROBRAS/CENPES (CARNEVAL) e PETROBRAS/SEQUI (CAMPINHO e IGUCHI). Ocorrida em 16 de fevereiro de 2001. 5 MILANI, H. e VIDEIRA JOSÉ, J.C. ARCTEST. Pr-IT-002-RC – Projeto de Instrução para realização de “RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA EM JUNTAS SOLDADAS DE PEQUENODIÄMETRO” – Técnica PD-VS . 2001. 6 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE, SECTION V. 7 EUROPEAN STANDARD. EN 1435: Non-destructive examination of welds- Radiographic examination of welded joints. 8 EWERT, U. ZSCHERPEL, U. Radiographic testing: A comparison of standa4rds for classical and digital industrial radiology. In: 15th WORLD CONFERENCE ON NON-DESTRUCTIVE TESTING, Roma 2000. 9 ASTM E747: Standard Practice for Design, Manufacture and Material Grouping Classification of Wire Image Quality Indicators (IQI) Used for Radiology. 10 EN 462: Non-destructive testing-Image quality of radiographs. Part 1: Image quality indicators (wire type), determination of image quality value. 11 EN-462-3: Non-destructive testing-Image quality of radiographs. Part 3: Image Quality classes for ferrous metals. 12 EN 462: Non-destructive testing-Image quality of radiographs. Part 5: Image quality indicators (duplex wire type), determination of image unsharpness value. 13- R-SEQUI/SP-250 – José Maurício Barbosa Rabello

ANEXO I – IMAGENS DE JUNTAS SOLDADAS – CALDEIRA GV- 22501 – UNIDADE 220 A,

INSPECIONADAS PELA TÉCNICA DE RADIOGRAFIA COMPUTADORIZADA – RC .

JUNTA PN-81-J-E-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN.

JUNTA PN-81-J-F-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN.

JUNTA PN-73-J-E-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN.

JUNTA PN-03-J-E-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN.

JUNTA PN-01-J-O-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN.

JUNTA PN-81-73-01-J-O-01 DE ∅ 2” e = 5,5 mm COM REFORÇO DE SOLDA DE 3,2 mm – PENETRÔMETRO DIN

REPAROS.