ensaio por ultrasom

ensaio por ultrasom

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ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 1 Prefácio

“Este trabalho representa um guia básico para programas de estudos e treinamento de pessoal em Ensaio por Ultrassom, contendo assuntos voltados para as aplicações mais comuns e importantes deste método de Ensaio Não Destrutivo. Trata-se portanto de um material didático de interesse e consulta, para os profissionais e estudantes que se iniciam ou estejam envolvidos com a inspeção de materiais por este método de ensaio."

O Autor

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Copyright ANDREUCCI, Assessoria e Serviços Técnicos Ltda

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Ricardo Andreucci • Professor da Faculdade de Tecnologia de São

Paulo - FATEC/ SP, nas disciplinas de Controle da Qualidade do Curso de Soldagem.

• Qualificado e Certificado pelo IBQN como Nível I nos métodos de ensaio radiográfico, partículas magnéticas ultrassom e líquidos penetrantes, conforme norma CNEN-N 1.17

• Qualificado e Certificado pelo SNQC como Nível I no ensaio Visual e Radiografia – Nr. 0154

• Membro da Comissão de Segurança e

Radioproteção da Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos - ABENDI.

• Diretor Técnico da ANDREUCCI Ass. e Serv. Técnicos Ltda.

• Consultor Técnico como Nível I de END para importantes empresas brasileiras e do exterior

• Participante como Autor do livro "Soldagem" editado pelo SENAI / SP

• Autor do Livro "Curso Básico de Proteção Radiológica" - ABENDI / SP

• Autor do livro "Radiologia industrial"- ABENDI / SP

• Autor do livro "Ensaio por Partículas Magnéticas"- ABENDI /SP

• Autor do livro “Ensaio por Líquidos Penetrantes”; ABENDI/SP

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 3 umário

Princípios básicos do método

Assunto Pág. 04

Limitações em comparação com outros ensaios06
Vibrações mecânicas07
Definições de Bell, e Decibel, Ganho12
Propagação das ondas acústicas no material14
Geração das ondas ultrassonicas19
Interface, Acoplantes25
Diagramas AVG ou DGS
Técnicas de Inspeção31
Aparelhagem35
Formas de Representação na Tela dos Aparelhos
Procedimentos específicos de inspeção58
Avaliação e critérios de aceitação70
Guia para Exercícios Práticos
Questões para Estudo75
Gabarito das Questões
Obras consultadas96

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 4 rincípios Básicos do Método

Introdução:

Sons extremamente graves ou agudos, podem passar desapercebidos pelo aparelho auditivo humano, não por deficiência deste, mas por caracterizarem vibrações com freqüências muito baixas , até 20Hz (infrassom) ou com freqüências muito altas acima de 20 kHz (ultrassom), ambas inaudíveis.

Como sabemos, os sons produzidos em um ambiente qualquer, refletem-se ou reverberam nas paredes que consistem o mesmo, podendo ainda ser transmitidos a outros ambientes. Fenômenos como este apesar de simples e serem freqüentes em nossa vida cotidiana, constituem os fundamentos do ensaio ultrassonico de materiais. No passado, testes de eixos ferroviários, ou mesmos sinos, eram executados através de testes com martelo, em que o som produzido pela peça, denunciava a presença de rachaduras ou trincas grosseiras pelo som característico. Assim como uma onda sonora, reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassonica ao percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma, ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassonica ao percorrer um meio elástico, refletirá da mesma forma, ao incidir numa descontinuidade ou falha interna a este meio considerado. Através de aparelhos especiais, detectamos as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.

Princípio Básico da Inspeção de Materiais por ultrassom

P Aparelho de ultrassom

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Finalidade do Ensaio

O ensaio por ultrassom, caracteriza-se num método não destrutivo que tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos ou forma de materiais ferrosos ou não ferrosos. Tais defeitos são caracterizados pelo próprio processo de fabricação da peça ou componentes a ser examinada como por exemplo: bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, micro-trincas em forjados, escorias em uniões soldadas e muitos outros. Portanto, o exame ultrassonico, assim como todo exame não destrutivo, visa diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidades.

Inspeção por ultrassom da chapa de um tubo

Campo de Aplicação

Em 1929 o cientista Sokolov, fazia as primeiras aplicações da energia sônica para atravessar materiais metálicos, enquanto que 1942 Firestone, utilizaria o princípio da ecosonda ou ecobatímetro, para exames de materiais. Somente em l945 o ensaio ultrassonico iniciou sua caminhada em escala industrial, impulsionado pelas necessidades e responsabilidades cada vez maiores. Hoje, na moderna indústria, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas, o exame ultrassonico, constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, geometria complexa de juntas soldadas, chapas. Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços-carbonos, em menor porcentagem em aços inoxidáveis. Materiais não ferrosos são difíceis de serem examinados, e requerem procedimentos especiais.

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 6 imitações em Comparação com outros Ensaios

Assim como todo ensaio não-destrutivo, o ensaio ultrassonico, possui vantagens e limitações nas aplicações, como segue:

Vantagens em relação a outros ensaios:

O método ultrassonico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, por exemplo:

• Trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia).

• Para interpretação das indicações, dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção.

• No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme, que via de regra demanda tempo do informe de resultados.

• Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio ultrassonico não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação.

• A localização, avaliação do tamanho e interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassonico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder um reparo.

Limitações em relação a outros ensaios.

• Requer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor. • O registro permanente do teste não é facilmente obtido.

• Faixas de espessuras muito finas, constituem uma dificuldade para aplicação do método.

• Requer o preparo da superfície para sua aplicação. Em alguns casos de inspeção de solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, que demanda tempo de fábrica.

Nenhum ensaio não destrutivos deve ser considerado o mais sensível ou o mais completo, pois as limitações e as vantagens fazem com que aplicação de cada ensaio seja objeto de análise e estudo da viabilidade de sua utilização, em conjunto com os Códigos e Normas de fabricação.

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 7 ibrações Mecânicas

Tipos de Ondas:

Como já vimos, o teste ultrassonico de materiais é feito com o uso de ondas mecânicas ou acústicas colocadas no meio em inspeção, ao contrário da técnica radiográfica, que usa ondas eletromagnéticas. Qualquer onda mecânica é composta de oscilações de partículas discretas no meio em que se propaga. A passagem de energia acústica no meio faz com que as partículas que compõem o mesmo, execute o movimento de oscilação em torno na posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em posição de equilíbrio, cuja amplitude do movimento será diminuído com o tempo em decorrência da perda de energia adquirida pela onda. Se assumirmos que o meio em estudo é elástico, ou seja que as partículas que o compõem rigidamente ligadas, mas que podem oscilar em qualquer direção, então podemos classificar as ondas acústicas em quatro tipos:

Ondas longitudinais (Ondas de compressão):

São ondas cujas partículas oscilam na direção de propagação da onda, podendo ser transmitidas a sólidos, líquidos e gases.

Onda longitudinal

No desenho acima nota-se que o primeiro plano de partículas vibra e transfere sua energia cinética para os próximos planos de partículas, e passam a oscilar. Desta maneira, todo o meio elástico vibra na mesma direção de propagação da onda (longitudinal),e aparecerá “zonas de compressão” e “zonas diluídas”. As distâncias entre duas zonas de compressão determinam o comprimento de onda (λ).

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 8

Em decorrência do processo de propagação, este tipo de onda possui uma alta velocidade de propagação, característica do meio.

Velocidades de Propagação das Ondas Longitudinais

Material Velocidade m/s

Aço inoxidável 5800

Aço Inoxidável 5.800

Aço Fundido 4.800 Fonte: Ultrasonic Testing, Krautkramer

Ondas transversais (ou ondas de cizalhamento):

Uma onda transversal é definida, quando as partículas do meio vibram na direção perpendicular ao de propagação. Neste caso, observamos que os planos de partículas, mantém-se na mesma distância um do outro, movendo-se apenas verticalmente.

Onda transversal

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As partículas oscilam na direção transversal a direção de propagação, podendo ser transmitidas somente a sólidos. As ondas transversais são praticamente incapazes de se propagarem nos líquidos e gases, pela características das ligações entre partículas, destes meios . O comprimento de onda é a distância entre dois “vales” ou dois “picos”.

Velocidades de Propagação das Ondas Transversais

Material Velocidade m/s

Ar -

Aço Inoxidável 3100 Aço Fundido 2400

Magnésio 3000 Fonte: Ultrasonic Testing, Krautkramer

Ondas superficiais ou Ondas de Rayleigh.

São assim chamadas, pela características de se propagar na superfície dos sólidos. Devido ao complexo movimento oscilatório das partículas da superfície, a velocidade de propagação da onda superficial entre duas fases diferentes é de aproximadamente 10% inferior que a de uma onda transversal. Para o tipo de onda superficial que não possui a componente normal, portanto se propaga em movimento paralelo a superfície e transversal em relação a direção de propagação recebe a denominação de ondas de “Love”. Sua aplicação se restringe ao exame de finas camadas de material que recobrem outros materiais.

Para ondas superficiais que se propagam com comprimento de onda próxima a espessura da chapa ensaiada, neste caso a inspeção não se restringe somente a superfície, mas todo o material e para esta particularidade denominamos as ondas de “Lamb”.

ENSAIO POR ULTRASSOM Ricardo Andreucci Ed .Jul./ 2011 10

As ondas de “Lamb” podem ser geradas a partir das ondas longitudinais incidindo segundo um ângulo de inclinação em relação a chapa. A relação entre o ângulo e velocidade é feita pela relação: O ensaio ultrassonico de materiais com ondas superficiais, são aplicados com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfícies e nestes casos, existem processos mais simples para a detecção destes tipos de descontinuidades, dentro dos ensaios não destrutivos como por exemplo de Líquidos penetrantes e Partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferior ao ensaio ultrassonico.

Freqüência , Velocidade e Comprimento de Onda Freqüência:

As ondas acústicas ou som propriamente dito, são classificados de acordo com suas freqüências e medidos em ciclos por segundo, ou seja o número de ondas que passam por segundo pelo nossos ouvidos. A unidade “ciclos por segundos” é normalmente conhecido por “Hertz”, abreviatura “Hz”.

Assim sendo se tivermos um som com 280 Hz, significa que por segundo passam 280 ciclos ou ondas por nossos ouvidos. Note que freqüências acima de 20.0 Hz são inaudíveis denominadas freqüência ultrassonica.

Campo de Audibilidade das Vibrações Mecânicas

Considera-se 20 kHz o limite superior audível e denomina-se a partir desta, a denominada freqüência ultrassônica.

Infrassom Som Ultrassom

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Velocidade de propagação.

Existem várias maneiras de uma onda sônica se propagar, e cada uma com características particulares de vibrações diferentes. Definimos “Velocidade de propagação” como sendo a distância percorrida pela onda sônica por unidade de tempo. É importante lembrar que a velocidade de propagação é uma característica do meio, sendo uma constante, independente da freqüência.

Comprimento de onda.

Quando atiramos uma pedra num lago de águas calmas, imediatamente criamos uma perturbação no ponto atingido e formando assim, ondas superficiais circulares que se propagam sobre a água. Neste simples exemplo, podemos imaginar o que definimos anteriormente de freqüência como sendo o número de ondas que passam por um observador fixo, também podemos imaginar a velocidade de propagação pela simples observação e ainda podemos estabelecer o comprimento entre dois picos de ondas consecutivos. A esta medida denominamos comprimento de onda, e representaremos pela letra grega Lambda “λ“.

Relações entre velocidade, comprimento de onda e freqüência.

Considerando uma onda sônica se propagando num determinado material com velocidade “V”, freqüência “f”, e comprimento de onda “λ“, podemos relacionar estes três parâmetros como segue:

V = λ . f

A relação acima, permite calcular o comprimento de onda pois a velocidade é em geral conhecida e depende somente do modo de vibração e o material, por outro lado a freqüência depende somente da fonte emissora, que também é conhecida.

Exemplo de aplicação: Uma onda longitudinal ultrassonica, com freqüência 2 MHz é utilizada para examinar uma peça de aço. Qual o comprimento de onda gerado no material ?

Solução: Como vimos anteriormente, a faixa de freqüência normal utilizada para aplicações industriais, compreende entre 1 MHz até 5 MHz. No exemplo acima a freqüência de 2 MHz corresponde a 2 milhões de ciclos por segundos ou seja 2 x 106 Hz.

Teremos:

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V= λ . f ou λ = V f sendo V = 5900 m/s vem que:

λ =-------------- metros
λ = 2950 x 106 m ouλ = 2,95 m

O conhecimento do comprimento de onda é de significante importância, pois relaciona-se diretamente com o tamanho do defeito a ser detectado. Em geral , o menor diâmetro de uma descontinuidade a ser detectada no material deve ser da

poderemos detectar será de aproximadamente 2,95 m de diâmetro

ordem de λ/2. Assim se inspecionarmos um material de velocidade de propagação de 5900 m/s com uma freqüência de 1 MHz , a mínima descontinuidade que Definições de Bell , Decibell e Ganho Nível de Intensidade Sonora:

O “Bell” abreviado “B” é uma grandeza que define o nível de intensidade sonora (NIS) que compara as intensidades de dois sons quaisquer, como segue:

N.I.S. = log I B

I0 Onde I e Io são duas intensidades sonoras medidas em Watts por centímetros quadrados (W/cm2). Por outro lado, o decibell equivale a 1/10 do Bell e em geral é normalmente utilizado para medidas de N.I.S., e portanto a equação será:

N.I.S. = 10 logI

dB

I0 Entretanto, a teoria dos movimentos harmônicos na propagação ondulatória nos ensina que a intensidade de vibração é proporcional ao quadrado da amplitude sonora , I = (A)2 ,e portanto devemos rescrever na forma de N.A.S (nível de amplitude sonora):

N.A.S. = 10log (A)2 dB (Nível de amplitude sonora).

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