ALGUMAS APLICAÇÕES INDUSTRIAIS

 

Devido à sensibilidade do RMB à microestrutura, tensão mecânica e deformações plásticas, há inúmeras possibilidades de aplicações industriais potencias. São aplicações não cobertas por outros métodos. De maneira resumida, pode-se citar:

  • Degradação Termo-química: Fluência; Fragilização (hidrogênio, carbonatos, ...); Grafitização; Descarbonetação; Fadiga Térmica
  • Degradação Mecânica: Fadiga mecânica e de contato; Tensões mecânicas e residuais, deformações plásticas
  • Controle de qualidade: tratamento superficiais térmicos e mecânicos; usinagem e conformação; filmes fino
A seguir são apresentados alguns casos de aplicação:



Sistema de Monitoramento de tensão mecânica de risers

Com o objetivo de detectar rompimento de arames, por cima da camada de polímero de risers, está sendo desenvolvido, para a Petrobrás, um sistema de monitoramento baseado no RMB chamado Barflex. Quando um arame rompe, o nível de tensão mecânica por ele suportado cai. O Barkflex monitora, portanto, o nível de tensão em cada arame da camada externa. Esse monitoramento é feito por cima da camada de polímero (espessura até 10mm), o que significa sem contato direto com o arame.

No projeto em questão, foi desenvolvido um equipamento específico para essa aplicação, bem como metodologias de processamento de sinais para otimizar seu desempenho. A Figura 1 ilustra o equipamento em uso em um riser, em bancada experimental de aplicação de carregamento no LAMEF/UFGRS.

Figura 1. Equipamento Barkflex instalado em riser, em ensaio experimental de validação

O sistema Barkflex, na versão para ensaios laboratoriais, é composto por um módulo de sensores, um de excitação e por software de controle. O módulo de sensores contém um cinto de sensores (um sensor para cada arame) posicionado sobre a camada de polímero; um multiplexador e uma unidade Barktech, contendo condicionador e sistema de aquisição. O módulo de excitação contém uma bobina de excitação colocada no riser e por uma fonte de corrente. O software controla tantos os módulos de sensores quanto de excitação, fornecendo informações básicas de análise de sinais em tempo real.

Uma vez validada pelos ensaios de laboratório, o sistema Barkflex está, atualmente, em fase de otimização e re-projeto com objetivo de construir um protótipo para instalação e uso em campo.

Figura 2. Distribuição de carregamento por arame, ao longo do perímetro do riser, através do RMB. Vermelhos são arames bons e azuis os quebrados.

A Figura 2 mostra um dos resultados obtidos em ensaios de tração estática em risers. O gráfico ilustra o nível de tensão (em unidades arbitrárias) em cada arame, medido pelos respectivos sensores, quando o riser está sujeito a um certo nível de tensão, similar ao esperado em campo. Esses resultados apresentam um nível de erro de 2 arames em 37.

Figura 3. Variação de tensão, ao longo do tempo, em ensaio cíclico de carregamento, através do RMB, para 5 arames. Coluna da esquerda é a variação no tempo e na coluna da direita os respectivos espectros. Sensores 27 e 30 estão posicionados acima de arames quebrados. Os demais estão sobre arames bons. Medição feita sobre a cama de polímero.

Já a Figura 3 mostra resultados de outro experimento, no qual se procura monitorar um carregamento cíclico no tempo. É apresentado o acompanhamento do RMS do RMB ao longo dessa ciclagem (coluna da esquerda) e as respectivas Densidades Espectrais de Potência de cada um desses sinais (coluna da direita). Apenas os resultados de 5 sensores (e arames) são mostrados. Seja no domínio do tempo, seja no domínio da freqüência, percebe-se dois tipos de padrões. Os sinais correspondente a arames bons mostram, no tempo, a ciclagem do carregamento, e no domínio do tempo, percebe-se nitidamente a freqüência fundamental (próxima do zero). Já para arames quebrados, que em princípio não acompanham o carregamento, o sinal temporal não apresenta a ciclagem de carregamento e o espectro de freqüência mostra-se aleatório (sensores 27 e 30).

O objetivo de se descrever esses dois pequenos resultados parciais é o de ilustrar o potencial da utilização do RMB para monitoramento de carregamentos em risers. Convém também observar que o RMB é sensível à história completa das tensões em cada arame. Ou seja, ele é sensível à tensão total presente, em dado instante, no arame (tensão de sustentação + tensões flutuantes + tensão residual proveniente do processo de fabricação). Em contraposição, extensometria (clássica ou óptica) é sensível apenas à tensão flutuante.



Avaliação de tensão residual

A seguir apresentamos dois casos ilustrativos das possibilidades de utilizado do RMB par avaliação e tensão residual (TR). No primeiro caso trata-se de avaliar a TR em amostras de aços D2 (aço para moldes de estamparia) usinadas com diferentes parâmetros, visando otimizar o surgimento de tensões residuais de compressão. São seis as amostras produzidas com diferentes parâmetros de usinagem.

Cada amostra foi submetida a medição de tensão residual por Difração de Raio X (DRX) e por RMB. A Figura 1 ilustra os dois conjuntos de resultados. À esquerda tem-se os resultados por DRX e à direita por RMB. Observa-se a extrema correlação entre os dois conjuntos de resultados, o que mostra o desempenho possível do RMB em avaliação de TR.

Figura 1. À esquerda tensão residual medida por DRX e à direita por RMB.

O segundo caso refere-se à avaliação de reversão de TR, por efeito térmico, em rodas ferroviárias. Quando em operação, pode ocorrer travamento de algumas rodas da composição por algum problema no sistema de freios. Ao serem arrastadas elas sofrem intenso aquecimento, chegando a ficar vermelhas. Esse processo pode anular e mesmo reverter o estado de tensão residual original (as rodas sofrem, na fábrica, tratamento térmico para indução de tensões residuais de compressão). Não havendo método internacionalmente aceito para detectar essa reversão, propôs-se a utilização do RMB para tanto

A Figura 2 ilustra as medições feitas e os resultados obtidos. São apresentados os resultados de medições em 9 rodas ferroviárias fundidas. Dessas 9, duas eram sabidamente novas e as demais usadas, em diferentes graus, sendo que, dentre as últimas, duas delas eram suspeitas de terem tido reversão (TR de tração). As medições feitas revelaram 3 grupos de rodas. É possível identificar claramente as rodas novas. Também é possível ver que as rodas usadas se destacam, em relação às novas, em diferentes níveis. E há uma roda que se destaca claramente das demais. Após as medições, as rodas com suspeitas de reversão foram cortadas para verificar se as tensões presentes eram de compressão (fechamento do corte), tração (abertura ainda maior do corte) ou neutra (corte sem variação dimensional). Das duas rodas com suspeitas apenas uma, de fato, apresentou abertura de corte: a de número 9. Portanto o RMB é uma ótima ferramenta não-destrutiva para avaliação de reversão de tensões residuais em rodas ferroviárias.

Figura 2. Medição de tensão residual em rodas ferroviárias e resultados



Mapeamento de Zona afetada pelo Calor em soldagem

Como o RMB é sensível à variação de microestrutura, ele pode ser utilizado plenamente para avaliar a Zona Afetada pelo Calor (ZAC) em processos de soldagem. A Figura 1 mostra uma micrografia ilustrando as três regiões presentes em um processo de soldagem com um cordão de solda: a zona de fusão, a zona afetada pelo calor e o metal base. Também mostra um mapeamento feito na superfície da solda/material, com RMB, a partir do centro da zona de fusão até o metal base. Observa-se a região da zona de fusão, que corresponde à faixa até 6mm, posteriormente uma região de aumento do RMB, entre 6 e 11 mm, correspondente ao fim da ZAC e o metal base a partir daí.

Figura 1. Micrografia mostrando as diferentes zonas em um material soldado com cordão de solda e respectivo mapeamento feito dom RMB, a partir do centro do cordão de solda.

Desta forma, END baseados e no RMB tem grande potencial para inspeção de juntas soldadas, seja pela sua facilidade de utilização, seja pela sensibilidade à variação de microestrutura e a tensões residuais.



Inspeção de fluência em tubos de caldeiras

Tubos de caldeiras, por estarem expostos a alta pressão e temperatura, estão sujeitas a vários tipos de degradação térmica, sendo que fluência é uma delas. Na Figura 11 tem-se, no alto à direita, um pedaço de tubo trincado por fluência, do qual foram retiradas amostras para análise de falha. As micrografias mostram as três fases de vida em problemas de fluência: à esquerda apresenta-se a microestrutura de uma região boa do material, no centro a micrografia de uma região à meia vida e por fim a micrografia de material próximo da região trincada.

Figura 1. Dano por fluência em tubo de caldeira

Nessa figura também é apresentada a clássica curva de vida de dano por fluência, ou curva de Neubauer. As regiões II e III caracterizam a meia vida e fim de vida, correspondentes às micrografias do meio e à direita, respectivamente.

A Figura 2 apresenta resultados de medição de RMB em cada uma das três regiões (1-material original, 2 - à meia vida e 3 - fim de vida). Observa-se nitidamente como é possível diferenciar essas três etapas da evolução de vida, o que demonstra a grande eficiência de desempenho do RMB para inspeção de condição de vida de tubos de caldeiras.

Figura 2. Resultados de avaliação por RMB em diferentes regiões de tubo danificado por fluência.



Monitoramento em tempo real, de transformações de fase em tratamentos térmicos criogênicos

Tratamento térmico criogênico (resfriamento a 70K – N2 líquido) de certos tipos de aço induzem transformação de fase, precipitando fase martensítica. Esse tipo de tratamento possibilita, entre outros aspectos, uma maior estabilidade dimensional e maior resistência à fadiga. No entanto há várias questões em aberto sobre esse tipo de processo, tais como se a transformação é dependente da temperatura, qual o tempo de resfriamento necessário, dentre outros

Com o objetivo de responder a essas questões (ainda sem respostas), foi desenvolvido um procedimento experimental especial, baseado no conceito de Emissão de Barkhausen. Como há surgimento de fase martensítica, que é magnética, isso deve gerar, ao longo da transformação, emissões magnéticas. Utilizando um sensor de Barkhausen sobre a peça e monitorando essas emissões durante o resfriamento é possível acompanhar todo o processo de transformação em tempo real.

Figura 1. Evolução da microestrutura antes e depois do tratamento térmico criogênico. Emissão magnética espontânea em transformação de fase induzida por tratamento térmico criogênico.

A Figura 1 apresenta micrografias do material antes e depois do tratamento térmico criogênico. Observam-se nitidamente as típicas agulhas da fase martensítica. No gráfico da mesma figura apresenta-se a curva de temperatura durante o resfriamento e as emissões magnéticas que ocorrem durante a transformação de fase. É possível perceber que a transformação é limitada no tempo, e inicia-se logo que começa o resfriamento, aumentando de intensidade para praticamente encerrar a uma temperatura de 175K. A transformação também é rápida, estando completa em 20 s.

Essas observações mostram que o Barkahsuen pode ser utilizado de maneira extremamente efetiva e simples para controle de qualidade de tratamentos térmicos criogênicos. Além disso, o conceito também pode ser generalizado para tratamentos térmicos de alta temperatura. Neste caso, resfriamento da sonda de leitura pode ser implementado, caso seja necessário o acompanhamento durante o tratamento.



Mapeamento de Superfícies através do Barkhausen Contínuo

A medição do RMB usual necessita que a sonda fique estática ou quase estática sobre a superfície durante a medição. Isso impõe uma grande limitação para a inspeção de grandes superfícies, tais como vasos de pressão, tanques de armazenamento, trilhos, dutos, dentre outros. O LADIN desenvolveu uma tecnologia inovadora para sanar esse gargalho tecnológico. Trata-se do Barkhausen Contínuo (BC), que permite o escaneamento de superfícies de uma forma inovadora. Ele realiza o mapeamento de uma superfície através do deslizamento da sonda sobre essa superfície, detectando e caracterizando alterações de microestrutura, deformações plásticas e levantamento de campos de tensão. Essa tecnologia é uma inovação internacional, desenvolvida em 2010.

Figura 1. Mapeamento de diferentes níveis de deformações plásticas residuais utilizando o método do Barkhausen Contínuo.

Com finalidade de ilustrar o potencial dessa tecnologia apresentamos abaixo um estudo de caso envolvendo a detecção de deformações plásticas residuais de diferente intensidade em uma superfície plana. A Figura 18 apresenta uma ilustração na qual um cilindro é pressionado com leve força em duas regiões de uma chapa, com intensidades diferentes (ilustração superior). Após isso, a chapa foi retificada em todo a sua superfície para retirar quaisquer marcas de ondulação geométrica que tenham ocorrido. Em seguida a chapa foi escaneada utilizando-se uma sonda BC, e o sinal obtido é apresentado nessa mesma figura (ilustração intermediária). Aparentemente não há informação visível. No entanto, se esse sinal é filtrado de maneira adequada, obtém-se o sinal inferior da Figura 1, onde é possível verificar que as leves deformações plásticas são perfeitamente localizadas e, além disso, são caracterizadas quanto à sua intensidade. Deformações plásticas residuais mais intensas apresentam uma intensidade de parâmetro BC menor do que as menos intensas.

Desta forma, o BC revela um grande potencial para inspeção de falhas e avarias ainda não contempladas por métodos tradicionais de END para mapeamento de superfícies.

Uma das possibilidades é a inclusão de sensores BC em pigs de MFL, para levantamento de tensões mecânicas e deformações plásticas em dutos, de maneira complementar ao tradicional mapeamento de trincas e alterações de espessura de paredes.



Escaneamento de estado de tensão biaxial em superficies, através do Barkhausen Contínuo Rotacional

Apesar da grande sensibilidade do RMB à tensão mecânica ou residual, a técnica, na forma conhecida internacionalmente, apenas fornece uma avaliação da amplitude na direção do campo magnético de excitação. O método usual de RMB não permite avaliar, numa dada posição, qual é o vetor da tensão principal (módulo, direção e sentido) de maneira independente da direção do campo aplicado.

Para suprir essa lacuna, o LADIN desenvolveu, de maneira pioneira internacionalmente, uma inovação tecnológica cujo nome é Barkhausen Contínuo Rotacional (BCR), que tem as seguintes características principais:

  • determina, numa dada posição de uma superfície, o vetor da tensão principal;
  • não é necessário contato com a superfície;
  • basta posicionar a sonda sobre a superfície;
  • a medição leva apenas poucos segundos;
  • é possível realizar monitoramento em tempo real de variação da tensão principal

Utiliza-se para tanto uma sonda, composta por um sensor de RMB, e por um dispositivo que que aplica um campo magnético girante em torno do sensor de RMB. Uma sonda Hall é usada para obter-se sincronização e determinar referência para angulação.

A Figura 1 mostra, no sentido horário: um esquema da sonda, o resultado de uma medição numa dada posição sobre a superfície, o resultado de simulação numérica de uma placa engastada no lado superior com força aplicada no canto inferior direito. e o resultado de medição experimental realizada em alguns pontos da placa. Observa-se como o BCR é capaz de obter o valor e a direção da tensão principal. Essa medição pode ser feita de maneira dinâmica, caso o carregamento seja variável. Neste caso é possível observar a variação do vetor de tensão principal em tempo real.

Figura 19. Ilustrações da sonda e de resultados de medição do vetor tensão principal.