NONDESTRUCTIVE TESTING HANDBOOK -
Electromagnetic Testing
Manual de Ensaio Não Destrutivo - Ensaio Eletromagnético
- Condutividade Elétrica
- Permeabilidade Magnética
- Efeito de Pele ("Skin Effect")
- Efeito de Borda ("Edge Effect")
- Efeito de Extremidade ("End Effect")
- Liftoff
- Fator de Enchimento ("Fill Factor")
- Relação Sinal-Ruído
- Descontinuidades
- Teste de Revisão
Como
visto anteriormente, o ensaio eletromagnético depende da geração de
correntes induzidas no objeto de ensaio. Perturbações nessas pequenas
correntes induzidas afetam a bobina de ensaio. O resultado é uma
variação na impedância da bobina de ensaio devido às variáveis do
objeto ensaiado. Essas variações são chamadas de variáveis
operacionais ou de ensaio. A gama de variáveis de ensaio
encontradas pode incluir condutividade elétrica, permeabilidade
magnética, efeito pelicular, efeito de borda, efeito de extremidade,
afastamento (lift-off), fator de enchimento (fill factor) e relação
sinal-ruído.
A impedância da bobina foi discutida profundamente
no Capítulo 3. Nesse capítulo, a mudança na impedância da bobina será
representada graficamente para explicar mais efetivamente a interação
das variáveis operacionais.
1 CONDUTIVIDADE ELÉTRICA
Na
teoria eletrônica, o átomo consiste em um núcleo positivo rodeado por
elétrons negativos em órbita. Materiais que permitem que esses elétrons
sejam facilmente movidos para fora da órbita ao redor do núcleo são
classificados como condutores. Em condutores, os elétrons são movidos
pela aplicação de uma força elétrica externa. A facilidade com que os
elétrons se movem através do condutor é chamada de condutância. Uma
unidade de condutância é o Siemen (mho). O Siemen é o inverso do ohm ou
condutância G = 1/R, onde G é a condutância em Siemens e R é a
resistência em ohms.
Em testes
eletromagnéticos, em vez de descrever a condutância em termos
absolutos, uma unidade arbitrária foi atribuída. Como a condutividade
relativa de metais e ligas varia em uma ampla faixa, a necessidade de
um padrão de condutividade é de suma importância.
A Comissão Eletroquímica
Internacional estabeleceu em 1913 uma técnica conveniente para comparar
um material com outro. A comissão estabeleceu que um grau específico de
cobre de alta pureza, com 1 m de comprimento e seção transversal
uniforme de 1 mm², medindo 0,017241 ohms a 20 °C, seria arbitrariamente
considerado 100% condutivo.
O
símbolo para condutividade é σ (sigma) e a unidade é porcentagem do
Padrão Internacional de Cobre Recozido (IACS).
A Tabela 1 lista os
materiais por suas propriedades elétricas: condutividade e
resistividade. Observe que um bom condutor é um mau resistor.
Condutância e resistência são inversamente proporcionais, como
mencionado anteriormente. Condutividade e resistividade, no entanto,
têm origens e unidades diferentes; portanto, a conversão não é tão
direta. Como discutido anteriormente, a
condutividade é expressa em uma escala arbitrária em porcentagem IACS.
A resistividade é expressa em termos absolutos de
micro-ohm-centímetros. Para converter valores de uma escala para o
outro sistema de unidades, é necessário um fator de conversão de
172,41. Uma vez conhecido o valor da condutividade ou da resistividade
de um material, a outra propriedade elétrica pode ser calculada.
(EQ.
19) %IACS = 172.41 / resisitividade (µΩ-cm)
ou
resisitividade (µΩ-cm) = 172.41
/ %IACS
Esses
valores numéricos são necessários quando cálculos adicionais são
requeridos para determinar questões de escolha de frequência,
profundidade de penetração e/ou dispersão de fase (defasagem) para
atender a critérios de inspeção específicos. Como a bobina de ensaio é
influenciada por diferentes condutividades, sua impedância varia
inversamente à condutividade. Uma condutividade mais alta faz com que a
bobina de ensaio tenha um valor de impedância mais baixo. A Figura 1
ilustra um lugar geométrico da condutividade medida. (NT: curva de
condutividade no plano de impedâncias ou diagrama fasorial)
Figura 1: Curva de Condutividade.
A reatância indutiva da
bobina é representada pelo eixo Y e a resistência da bobina aparece no
eixo X. O ponto de 0% de condutividade, ou ponto de ar, é quando a
reatância vazia da bobina (XLO) está em seu máximo. A
condutividade é
influenciada por muitos fatores.
A Tabela 1 é uma lista
comparativa de materiais com várias composições químicas.
Tabela 1. Resistividade elétrica e
condutividade de vários metais e
ligas metálicas.
Material
|
Resistividade
(µΩ-cm)
|
Condutividade
(%IACS)
|
Latão Almirantado
|
6,90
|
25,00
|
Alumínio (99,9)
|
2,65
|
64,94
|
6061-T6
|
4,10
|
42,00
|
7075-T6
|
5,30
|
32,00
|
2024-T4
|
5,70
|
30,00
|
Alumínio Bronze
|
12,00
|
14,00
|
Cobre
|
1,72
|
100,00
|
Cupro-níquel 90-10
|
18,95
|
9,10
|
Cupor-níquel 70-30
|
37,00
|
4,60
|
Ouro
|
2,35
|
75,00
|
Liga de Níquel
Resistente a Corrosão
|
130,00
|
1,30
|
Liga Níquel-Cromo
Resistente a Alta Temp.
|
100.00
|
1,72
|
Chumbo
|
20,77
|
8,30
|
Magnésio (99%)
|
4,45
|
38,60
|
Aço inoxidável 304
|
72,00
|
2,39
|
Aço inoxidável 316
|
74,00
|
2,33
|
Titânio 99%
|
48,60
|
3,50
|
Tungstênio
|
5,65
|
30,00
|
Zircônio
|
40,00
|
4,30
|
Existem
diversos fatores de fabricação ou "in situ" que devem ser considerados
ao
tentar medir a condutividade de várias ligas.
Em
metais, à medida que a temperatura aumenta, a condutividade diminui.
Este é um fator importante a ser considerado quando se requer uma
medição precisa da condutividade. O tratamento térmico afeta a
condutividade elétrica redistribuindo elementos no material. Dependendo
dos materiais e do grau de tratamento térmico, a condutividade pode
aumentar ou diminuir como resultado desse processo.
Tensões
em um material devido ao trabalho a frio produzem distorção da rede
cristalina ou falhas de empilhamentos dos átomos nos materiais. Esse
processo mecânico altera
a estrutura granular e a dureza do material, modificando sua
condutividade elétrica. A dureza em ligas de alumínio endurecíveis por
precipitação altera a condutividade elétrica da liga. A condutividade
elétrica diminui à medida que a dureza aumenta. Por exemplo, uma dureza
Brinell 60 corresponde a uma condutividade 23, enquanto uma
dureza Brinell 100 na mesma liga teria uma condutividade 19.
2. PERMEABILIDADE MAGNÉTICA
A
permeabilidade magnética de qualquer material é uma medida da
facilidade com que seus domínios magnéticos podem ser alinhados ou da
facilidade com que ele pode estabelecer linhas de força magnetizante.
Os materiais
são classificados de forma comparativa. Ao ar é atribuída uma
permeabilidade relativa de 1. Materiais diamagnéticos têm
permeabilidade menor
que a do ar. Em contraste, metais e ligas ferromagnéticas, incluindo
níquel, ferro e cobalto, tendem a concentrar as linhas de fluxo
magnético. Como discutido no Capítulo 3, alguns materiais
ferromagnéticos ou compostos iônicos sinterizados também são úteis na
concentração de fluxo magnético.
A
permeabilidade magnética não é constante para um determinado material.
A permeabilidade em uma amostra ensaiada depende do campo magnético que
atua sobre ela. Como exemplo, considere uma barra de aço magnético
colocada em uma bobina circular. À medida que a corrente na bobina
aumenta, o campo magnético da bobina também aumenta. O fluxo magnético
dentro do aço aumentará rapidamente no início e, em seguida, tenderá a
se estabilizar à medida que o aço se aproxima da saturação magnética.
Esse fenômeno é chamado de efeito Barkhausen.
Quando
o aumento da força magnetizante produz pouca ou nenhuma alteração no
fluxo magnético dentro da barra de aço, a barra está magneticamente
saturada. Quando os materiais ferromagnéticos estão saturados, a
permeabilidade torna-se constante. Com a permeabilidade magnética
constante, os materiais ferromagnéticos podem ser inspecionados
utilizando o método de ensaio eletromagnético por correntes parasitas.
Sem a saturação
magnética, os materiais ferromagnéticos exibem uma variação de
permeabilidade tão ampla que os sinais produzidos por descontinuidades
ou variações de condutividade são mascarados pelo sinal de
permeabilidade.
3. EFEITO DE PELE ("SKIN EFFECT")
Em
muitas aplicações, os ensaios eletromagnéticos são mais sensíveis às
variáveis do objeto ensaiado mais próximas da bobina de ensaio devido
ao efeito pelicular. O efeito pelicular resulta da interação mútua
entre correntes parasitas, frequência de operação, condutividade e
permeabilidade do objeto ensaiado. O efeito pelicular — a concentração
de correntes parasitas no objeto ensaiado mais próximo da bobina de
ensaio — torna-se mais evidente à medida que a frequência de ensaio, a
condutividade e a permeabilidade do objeto ensaiado aumentam. Para a
densidade de corrente ou distribuição de correntes parasitas no objeto
de ensaio, consulte a Figura 8 no Capítulo 1.
4. EFEITO DE BORDA ("EDGE EFFECT")
O
campo eletromagnético produzido por uma bobina de ensaio excitada se
estende em todas as direções a partir da bobina. O campo da bobina a
precede por uma certa distância determinada pelos parâmetros da bobina,
frequência de operação e características do objeto ensaiado. À medida
que a bobina se aproxima da borda de um objeto ensaiado, o fluxo de
corrente parasita na amostra ensaiada é distorcido pela borda. Isso é
conhecido como efeito de borda.
O
efeito de borda pode criar uma mudança na impedância da bobina que é
semelhante a uma descontinuidade (Figura 2). A resposta se deslocaria
de volta ao longo da curva de condutividade em direção ao ponto de ar.
A bobina está respondendo a uma situação ligeiramente menos condutiva
(ar) na borda frontal do campo de visão da bobina. Portanto, é
essencial que o efeito de borda seja eliminado como uma variável
durante um ensaio com varredura de superfície.
Figura 2. Efeito de borda.
A
resposta às bordas dos objetos ensaiado pode ser reduzida incorporando
blindagens magnéticas ao redor da bobina ensaiado, aumentando a
frequência de ensaio, reduzindo o diâmetro da bobina de ensaio ou
alterando o padrão de varredura utilizado. O efeito de borda é mais
aplicável à inspeção de chapas ou placas com uma bobina de ensaio. (NT
= a influência negativa do efeito de borda pode ser minimizada cuidando
para que a distância da borda pela sonda seja mantida constante durante
a varredura da peça)
5. EFEITO DE EXTREMIDADE ("END EFFECT")
O
efeito de extremidade segue a mesma lógica do efeito de borda. O efeito
de extremidade é o sinal observado quando a extremidade de um produto
se aproxima da bobina de ensaio. A resposta ao efeito de extremidade
pode ser reduzida por meio de blindagem da bobina ou redução da largura
da bobina em bobinas de diâmetro externo envolvente ou bobinas de
diâmetro interno. O efeito de extremidade é mais aplicável à inspeção
de produtos em barra ou tubulares.
6. LIFTOFF
O
acoplamento eletromagnético entre a bobina de ensaio e o objeto
ensaiado
é de suma importância na realização de um ensaio eletromagnético. O
acoplamento entre a bobina de ensaio e o objeto ensaiado varia com o
espaçamento entre eles. Esse espaçamento é chamado de distância de
acoplamento (liftoff). O efeito na impedância da bobina é chamado de
efeito de distância de acoplamento (liftoff).
A
Figura 3 mostra a relação entre o ar, materiais condutores e a
distância de acoplamento (liftoff). O campo eletromagnético, como
discutido anteriormente, é mais forte próximo à bobina e se dissipa com
a distância da bobina. Esse fato causa um efeito de distância de
acoplamento (liftoff) pronunciado para pequenas variações no
espaçamento entre a bobina e o objeto. Como exemplo, uma mudança no
espaçamento do contato para 0,0254 mm (0,001 pol.) produzirá um efeito
de distância de acoplamento (liftoff) muitas vezes maior do que uma
mudança de 0,254 mm (0,010 pol.) para 0,2794 mm (0,011 pol.). O efeito
de distância de acoplamento (liftoff) é geralmente um efeito indesejado
que causa aumento de ruído e redução do acoplamento, resultando em
baixa precisão de medição.
Figura 3. Relação Liftoff/Condutividade
Em
alguns casos, equipamentos com capacidade de discriminação de fase
podem facilmente separar o sinal de liftoff do sinal da condutividade
ou de outras
variáveis. O liftoff pode ser usado vantajosamente na medição de
revestimentos não condutores sobre bases condutoras. Um revestimento
não condutor, como tinta ou plástico, cria um espaço entre a bobina e a
base condutora, permitindo que o liftoff represente a espessura do
revestimento. O liftoff também é útil em perfilometria e aplicações de
proximidade. O liftoff é mais aplicável ao ensaio de objetos com uma
sonda supeficial.
7, FATOR DE ENCHIMENTO ("FILL FACTOR")
O
fator de enchimento é um termo usado para descrever a eficiência do
acoplamento eletromagnético entre um objeto ensaiado e uma bobina de
ensaio que o envolve ou é inserida nele. O fator de enchimento,
portanto, refere-se a inspeções que utilizam sondas envolventes ou
internas. Assim como o afastamento (liftoff), o acoplamento
eletromagnético entre a bobina de ensaio e o objeto ensaiado é mais
eficiente quando a bobina está mais próxima da superfície da peça. A
área de um círculo (A) é determinada pela equação:
(Eq. 20) A = (π.d2) / 4
O fator de preenchimento
pode ser descrito como a razão entre o diâmetro do objeto ensaiado e o
quadrado do diâmetro da bobina (Figura 4).
Figura 4. Componentes para o cálculo do fator de enchimento.
O
quadrado dos diâmetros é uma equação simplificada que resulta na
divisão das áreas efetivas da bobina e da peça. Como o termo π/4
aparece tanto no numerador quanto no denominador desta equação
fracionária, o termo π/4 se cancela, resultando na razão entre os
quadrados dos diâmetros:
(Eq. 21) d2 / D2 = η => Fator de
Enchimento
O
fator de enchimento será sempre um número menor que 1 e fatores de
enchimento eficientes se aproximam de 1. Um fator de enchimento 0,99 é
mais eficiente que um fator de preenchimento 0,75. O
efeito do fator de enchimento no sistema de ensaio é que fatores de
enchimento inadequados não permitem que a bobina seja
suficientemente acoplada ao objeto ensaiado. Isso é análogo ao efeito
de puxar um arco apenas levemente e soltar uma flecha. O resultado é
que, com o arco levemente puxado e solto, pouco efeito é produzido para
impulsionar a flecha.
Em
termos elétricos, diz-se que a bobina é carregada pelo objeto ensaiado.
O quanto a bobina é carregada pelo objeto ensaiado devido ao fator de
enchimento pode ser calculado em termos relativos. Um sistema de ensaio
com capacidade de corrente constante, afetado por uma barra
condutora não magnética colocada dentro de uma bobina envolvente, pode
ser usado para demonstrar esse efeito.
Para
este exemplo, os parâmetros do sistema são os seguintes:
- A tensão da bobina sem
carga é igual a 10 V.
- A permeabilidade efetiva
do objeto ensaiado é igual a 0,3.
- O diâmetro interno da
bobina de ensaio é igual a 25,4 mm (1 polegada).
- O diâmetro externo do
objeto ensaiado é igual a 22,9 mm (0,9 pol.).
(Eq. 22) Fator de Enchimento =>
η =
(0,9/1)2 = 0,81 = 81%
(Eq. 23) E = Eo(1-η+ημeff)
onde:
Eo
= tensão da bobina com a bobina afetada pelo ar
E
= tensão da bobina com a bobina afetada pelo objeto ensaiado
η
= fator de enchimento
μeff = permeabilidade efetiva
Quando
um objeto ensaiado não ferromagnético é inserido na bobina de ensaio, a
tensão da bobina diminuirá.
E=10[(1 - 0.81) + (0.81) (0.3)]
E = 10[0.19 + 0.243]
E = 10[0.433]
E=4,3V
Isso
permite que 10 - 4,3 = 5,7 V estejam disponíveis para responder às
mudanças no objeto ensaiado causadas por descontinuidades ou
diminuições na condutividade efetiva do objeto ensaiado. Sugere-se
que o leitor calcule a tensão resultante sob carga desenvolvida por uma
barra de 12,7 mm (0,5 pol.) do mesmo material e observe a diferença de
sensibilidade relativa.
8. RELAÇÃO SINAL-RUÍDO
A
relação sinal-ruído ("SNR=Signal to Noise Ratio") é a razão entre os sinais de interesse e os
sinais indesejados. Fontes comuns de ruído são variações na rugosidade
da superfície, geometria e homogeneidade do objeto ensaiado. Outros
ruídos elétricos podem ser provenientes de fontes externas, como
máquinas de solda, motores elétricos e geradores. Vibrações mecânicas
podem aumentar o ruído do sistema de ensaio devido ao movimento físico
da bobina ou do objeto ensaiado. Em outras palavras, qualquer coisa que
interfira na capacidade de um sistema de ensaio de definir uma medição é
considerada ruído.
A relação sinal-ruído pode
ser melhorada por diversas técnicas. Se uma peça estiver suja ou com
incrustações, a relação sinal-ruído pode ser melhorada com a limpeza da
peça. Interferências elétricas podem ser blindadas ou isoladas.
Discriminação de fase e filtragem podem melhorar a relação sinal-ruído.
É prática comum em ensaios
não destrutivos exigir uma relação sinal-ruído mínima de 3 para 1. Isso
significa que um sinal de interesse deve ter uma resposta pelo menos
três vezes maior que a do ruído naquele ponto.
9. DESCONTINUIDADES
Qualquer
descontinuidade que altere significativamente o fluxo normal de
correntes parasitas pode ser detectada. Descontinuidades, como trincas,
cavidades, sulcos, danos por vibração e corrosão, geralmente causam a
redução da condutividade efetiva do objeto ensaiado.
Descontinuidades
abertas na superfície são mais facilmente detectadas do que
descontinuidades subsuperficiais.
Descontinuidades
abertas na superfície podem ser detectadas com uma ampla gama de
frequências; investigações subsuperficiais exigem uma seleção de
frequência mais cuidadosa.
A
detecção de descontinuidades em profundidades maiores que 12,7 mm (0,5
pol.) em aço inoxidável é muito difícil.
Isso
se deve, em parte, à distribuição esparsa de linhas de fluxo magnético
na baixa frequência necessária para penetrações tão profundas.
A
Figura 8 do Capítulo 1 é novamente útil para ilustrar a resposta da
descontinuidade devido à distribuição de corrente. Como exemplo,
considere o ensaio de um tubo não ferromagnético em uma frequência que
estabeleça uma profundidade de penetração padrão no ponto médio da
parede do tubo. Essa condição permitiria uma densidade de corrente
relativa de cerca de 20% na superfície oposta do tubo. Nessas
condições, descontinuidades idênticas nas superfícies próxima e oposta
apresentariam respostas muito diferentes. Devido apenas à magnitude da
corrente, a resposta da descontinuidade próxima à superfície seria
quase cinco vezes maior que a da descontinuidade na superfície oposta.
A
orientação da descontinuidade tem um efeito drástico na resposta. Como
visto anteriormente, a resposta da descontinuidade é máxima quando as
correntes parasitas e as descontinuidades estão a 90° ou
perpendiculares. Descontinuidades paralelas ao fluxo da corrente
parasita produzem pouca ou nenhuma resposta. A técnica mais simples
para garantir a detecção de descontinuidades é usar um padrão ou modelo
de referência que forneça um meio consistente de ajustar a
instrumentação.
10. TESTE DE REVISÃO
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