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NBR 16553 de 12/2016: a terminologia para o ensaio não destrutivo por ultrassom

O que é o ângulo natural do feixe refratado? O que é a curva de sensibilidade de um arranjo? Como se define a técnica de amostragem multielementos? O que é a varredura eletrônica azimutal? Essas questões estão sendo mostradas no texto sobre a terminologia para o ensaio não destrutivo por ultrassom.

01/02/2017 - Equipe Target

O ensaio não destrutivo por ultrassom

A NBR 16553 de 12/2016 - Ensaio não destrutivo - Ultrassom - Phased array - Terminologia define os termos utilizados no método de ensaio não destrutivo por ultrassom phased array.

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O que é o ângulo natural do feixe refratado?

O que é a curva de sensibilidade de um arranjo?

Como se define a técnica de amostragem multielementos?

O que é a varredura eletrônica azimutal?

Um ensaio por ultrassom baseia-se na propagação de ondas ultrassônicas na peça a ser ensaiada. Os sons produzidos em um ambiente qualquer se refletem ou reverberam nas paredes que constituem o ambiente, podendo ainda ser transmitidos a outros ambientes. Este fenômeno constitui o fundamento do ensaio por ultrassom de materiais. Assim como uma onda sonora reflete ao incidir num anteparo qualquer, a vibração ou onda ultrassônica também reflete quando percorre um meio elástico; do mesmo modo, a vibração ou onda ultrassônica refletirá ao incidir numa descontinuidade ou falha interna de um meio considerado. Por meio de aparelhos especiais, é possível detectar as reflexões provenientes do interior da peça examinada, localizando e interpretando as descontinuidades.

O teste ultrassônico 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. O ensaio por ultrassom caracteriza-se por ser um método não destrutivo com o objetivo de detectar descontinuidades internas, presentes nos mais variados tipos ou formas de materiais ferrosos ou não ferrosos.

As descontinuidades são caracterizadas pelo próprio processo de fabricação da peça ou por componentes, como por exemplo, bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, microtrincas em forjados, escórias em uniões soldadas e muitos outros. Portanto, o exame ultrassônico, assim como todo exame não destrutivo, visa a diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidade.

O ensaio por ultrassom constitui uma ferramenta indispensável para garantia da qualidade de peças de grandes espessuras, com geometria complexa de juntas soldadas e chapas. É aplicado na indústria moderna, principalmente nas áreas de caldeiraria e estruturas marítimas. Na maioria dos casos, os ensaios são aplicados em aços carbono e em menor porcentagem nos aços inoxidáveis. Os materiais não ferrosos podem ser examinados por ultrassom mas requerem procedimentos especiais.

O método ultrassônico possui alta sensibilidade na detectabilidade de pequenas descontinuidades internas, como trincas devido a tratamento térmico, fissuras e outros de difícil detecção por ensaio de radiações penetrantes (radiografia ou gamagrafia). Para interpretação das indicações, o ensaio por ultrassom dispensa processos intermediários, agilizando a inspeção. No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme que demanda tempo para o informe de resultados.

Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio por ultrassom não requer planos especiais de segurança ou quaisquer acessórios para sua aplicação. A localização, a avaliação do tamanho e a interpretação das descontinuidades encontradas são fatores intrínsecos ao exame ultrassônico, enquanto que outros exames não definem tais fatores. Por exemplo, um defeito mostrado num filme radiográfico define o tamanho do defeito mas não sua profundidade e em muitos casos este é um fator importante para proceder a um reparo.

Mas, o ensaio por ultrassom apresenta algumas desvantagens, como a exigência de grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor, além do preparo da superfície; o registro permanente do teste não é facilmente obtido; faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método; em alguns casos de inspeção de solda existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, o que demanda tempo de fábrica.

O ensaio por ultrassom de materiais com ondas superficiais é aplicado com severas restrições, pois somente são observados defeitos de superfície; para detectar este tipo de descontinuidade, existem ensaios não destrutivos mais simples, como os ensaios por líquidos penetrantes e por partículas magnéticas, que em geral são de custo e complexidade inferiores aos do ensaio por ultrassom. Pode-se dizer que os princípios físicos que regem o ensaio por ultra- -som são a dispersão, a absorção, a atenuação sônica e a divergência do feixe sônico. A dispersão do feixe sônico deve-se ao fato de a matéria não ser totalmente homogênea e conter interfaces naturais de sua própria estrutura ou que são provocadas pelo processo de fabricação.

Como exemplo citam-se os fundidos, que apresentam grãos de grafite e ferrita com propriedades elásticas distintas. A mudança das características elásticas de ponto num mesmo material é chamada anisotropia, que é mais significativa quando o tamanho do grão é de 1/10 do comprimento de onda.

Já a absorção é a energia cedida pela onda para que cada partícula do meio execute um movimento de oscilação, transmitindo vibração às outras partículas do próprio meio; esse fenômeno ocorre sempre que uma vibração acústica percorre um meio elástico. A onda sônica, ao percorrer um material qualquer, sofre em sua trajetória efeitos de dispersão e absorção que resultam na redução da sua energia. Os resultados dos efeitos de dispersão e absorção quando somados resultam na atenuação sônica.

Na prática, este fenômeno pode ser visualizado na tela do aparelho de ultrassom, quando se observam vários ecos de reflexão de fundo provenientes de uma peça com superfícies paralelas. As alturas dos ecos diminuem com a distância percorrida pela onda. A atenuação sônica é importante quando se inspecionam peças em que este fator pode inviabilizar o ensaio. As soldas em aços inoxidáveis austeníticos e peças forjadas em aços inoxidáveis são exemplos clássicos desta dificuldade. O controle e a avaliação da atenuação nestes casos são razões para justificar procedimentos de ensaio especiais.

A divergência é um fenômeno físico responsável pela perda de parte da intensidade ou energia da onda sônica; a divergência se pronuncia à medida que a fonte emissora é afastada das vibrações acústicas. Tal fenômeno pode ser observado ao detectar um defeito pequeno com o feixe ultrassônico central do transdutor; nesta condição, a amplitude do eco na tela do aparelho é máxima. No entanto, quando o transdutor é afastado lateralmente ao defeito, a amplitude diminui, indicando uma queda na sensibilidade de detecção do mesmo defeito. A diferença de sensibilidade ou altura do eco de reflexão entre a detecção do defeito com o feixe ultra- sônico central e a detecção do mesmo defeito com a borda do feixe ultrassônico é considerável.

Basicamente, o aparelho de ultrassom contém circuitos eletrônicos especiais, que permitem transmitir ao cristal piezelétrico, através do cabo coaxial, uma série de pulsos elétricos controlados, que são transformados pelo cristal em ondas ultrassônicas. Da mesma forma, sinais captados no cristal são mostrados na tela do tubo de raios catódicos em forma de pulsos luminosos denominados ecos, que podem ser regulados tanto na amplitude quanto na posição na tela graduada. Os ecos constituem o registro das descontinuidades encontradas no interior do material.

Em geral, os fabricantes oferecem vários modelos de aparelhos com maiores ou menores recursos técnicos; entretanto, alguns controles e funções básicas devem existir para que sua utilização seja possível. Esses controles são referentes a escolha da função, potência de emissão, ganho, escala e velocidade de propagação.

Todo aparelho possui entradas de para permitir transdutores dos tipos monocristal e duplo-cristal. A potência de emissão está diretamente relacionada à amplitude de oscilação do cristal ou tamanho do sinal transmitido. Em geral os aparelhos apresentam níveis de potência controláveis por uma chave seletora com posições em número de 2 até 5.

O ganho está relacionado com a amplitude do sinal na tela ou amplificação do sinal recebido pelo cristal. Os aparelhos apresentam um ajuste fino e um grosseiro, calibrados em decibéis, num mesmo botão de controle ou separadamente. O controle do ganho, em geral, pode variar de 0 a 100 dB.

As graduações na tela do aparelho podem ser modificadas, conforme a necessidade, por meio do controle de escala calibrada em faixas fixas com variações de 10, 50, 250 e 1.000 mm. Quando a velocidade de propagação é alterada no aparelho, nota-se claramente que o eco de reflexão produzido por uma interface muda de posição na tela do osciloscópio, permanecendo o eco original em sua posição inicial. O aparelho de ultrassom é basicamente ajustado para medir o tempo de percurso do som na peça ensaiada por meio da relação S = v. t, onde o espaço percorrido S é proporcional ao tempo t e à velocidade de propagação v.

A unidade de medida do material também pode ser ajustada em centímetros, metros, etc. Dependendo do modelo e do fabricante do aparelho, pode existir um controle específico da velocidade ou na maioria dos casos, um controle que trabalha junto com o da escala do aparelho. Neste caso, existe uma graduação de velocidade em metros por segundo em relação aos diferentes materiais de ensaio por ultrassom.

Os componentes principais do equipamento de ultrassom são os cristais e os transdutores. Os primeiros são materiais que apresentam o efeito piezelétrico responsável por transformar a energia elétrica alternada em oscilação mecânica e a energia mecânica em elétrica. Os cristais são montados sobre uma base que funciona como suporte ou bloco amortecedor. Os seus tipos são quartzo, sulfato de lítio, titanato de bário e metaniobato de chumbo.

O transdutor, também chamado de cabeçote, é formado pelos cristais, pelos eletrodos e pela carcaça externa. Um transdutor emite um impulso ultrassônico que atravessa o material e reflete nas interfaces, originando o eco. O eco retorna ao transdutor e gera o sinal elétrico correspondente. O transdutor pode ser classificado em três tipos: normal ou reto, angular e duplo-cristal.

O transdutor normal ou reto é o chamado cabeçote monocristal gerador de ondas longitudinais perpendiculares à superfície de acoplamento. É construído a partir de um cristal piezelétrico com uma das faces colada num bloco rígido denominado amortecedor e outra face protegida por uma membrana de borracha ou por uma resina especial. O bloco amortecedor serve de apoio para o cristal e absorve as ondas emitidas pela face colada a ele.

A face de contato do transdutor com a peça deve ser protegida contra desgaste mecânico por meio de membranas de borracha finas e resistentes ou camadas fixas de epóxi enriquecido com óxido de alumínio.

Em geral os transdutores normais são circulares, com diâmetro de 5 a 24mm, com frequência de 0,5,1, 2, 2,5,4,5 e 6MHz. Outros diâmetros e frequências existem, porém para aplicações especiais.

O transdutor angular é assim chamado em razão de o cristal formar um determinado ângulo em relação à superfície do material. O ângulo é obtido pela inserção de uma cunha de plástico entre o cristal piezelétrico e a superfície. A cunha pode ser fixa, sendo então englobada pela carcaça, ou intercambiável; neste último caso, um transdutor normal é preso com parafusos que fixam a cunha à carcaça.

Uma vez que a prática é trabalhar com diversos ângulos (35, 45, 60, 70 e 80 graus), a solução de um único transdutor com várias cunhas é mais econômica; no entanto, é necessário maior cuidado no manuseio. O ângulo nominal, sob o qual o feixe ultrassônico penetra no material, vale somente para inspeção de peças de aço; se o material for outro, determina-se o ângulo real de penetração por meio de blocos de calibração feitos desse mesmo material. A mudança do ângulo deve-se à mudança de velocidade no meio.

O cristal piezelétrico somente recebe ondas ou impulsos ultrassônicos que penetram na cunha na direção paralela à de emissão, em sentido contrário. A cunha de plástico funciona como amortecedor para o cristal piezelétrico após a emissão dos impulsos.

O transdutor angular apresenta sapatas de acrílico feitas para proporcionar ângulos de transmissão bem definidos. Entretanto, o uso contínuo e o consequente desgaste das sapatas poderão alterar o desempenho do transdutor. Esse problema pode ser agravado quando a pressão do dedo do operador incidir sobre as bordas do transdutor, fazendo com que o desgaste ocorra de modo irregular e alterando significativamente o ângulo nominal.

O transdutor duplo-cristal é o mais indicado e largamente utilizado nos procedimentos de medição de espessura por ultrassom. Apresenta dois cristais incorporados na mesma carcaça, levemente inclinados em relação à superfície de contato e separados por um material acústico isojante. Cada um deles funciona somente como emissor ou somente como receptor, sendo indiferente qual deles exerce cada uma das funções. Os cristais são conectados ao aparelho de ultrassom por um cabo duplo; o aparelho deve ser ajustado para trabalhar com dois cristais.

Os cristais são montados sobre blocos feitos de plástico especial de baixa atenuação. Devido a essa inclinação, os transdutores duplos não podem ser usados para qualquer profundidade, pois fora da zona de inclinação a sensibilidade se reduz. Possuem sempre uma faixa de inspeção ótima, que deve ser observada. Em certos casos, os transdutores duplos são utilizados com focalização, isto é, o feixe é concentrado em uma determinada zona do material para a qual se deseja máxima sensibilidade.

Existem problemas de inspeção que não podem ser resolvidos nem com transdutores retos nem com angulares. Quando se trata de inspecionar ou medir materiais de reduzida espessura, ou quando se deseja detectar descontinuidades logo abaixo da superfície do material, a zona morta existente na tela do aparelho impede uma resposta clara.

O cristal piezelétrico recebe uma resposta num espaço de tempo curto após a emissão, e suas vibrações não são amortecidas suficientemente. Neste caso, somente um transdutor duplo-cristal, capaz de separar a emissão da recepção pode ajudar. A utilização do aparelho de ultrassom requer alguns cuidados referentes a calibração, ao manuseio dos controles e às baterias.

Enfim, o ensaio por ultrassom caracteriza-se em um 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 examinados, como, por exemplo, bolhas de gás em fundidos, dupla laminação em laminados, microtrincas em forjados, escorias em uniões soldadas e muitos outros. Portanto, o exame ultrassônico, assim como todo exame não destrutivo, visa diminuir o grau de incerteza na utilização de materiais ou peças de responsabilidades.

O método ultrassônico 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, pode-se dispensar os processos intermediários, agilizando a inspeção.

No caso de radiografia ou gamagrafia, existe a necessidade do processo de revelação do filme que demanda tempo do informe de resultados. Ao contrário dos ensaios por radiações penetrantes, o ensaio ultrassônico 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 ultrassônico, 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 a um reparo.

Quanto às suas limitações, pode requerer grande conhecimento teórico e experiência por parte do inspetor e o registro permanente do teste não é facilmente obtido. Além disso, as faixas de espessuras muito finas constituem uma dificuldade para aplicação do método. Ele também requer o preparo da superfície para sua aplicação e, em alguns casos de inspeção de solda, existe a necessidade da remoção total do reforço da solda, que demanda tempo de fábrica.

FONTE: Equipe Target

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