NONDESTRUCTIVE TESTING HANDBOOK -
Electromagnetic Testing
Manual de Ensaio Não Destrutivo - Ensaio Eletromagnético
- Introdução
- Visão Geral
- Como ACFM Funciona
- Cobertura do Sensor e Deslocamento
Lateral
- Vantagens e Desvantagens de um Campo
Uniforme
- Vantagens
- Desvantagens
- Aplicações
- Teste de Revisão
1 INTRODUÇÃO
Em
sua forma mais simples, a técnica de medição de campo de corrente
alternada ("ACFM=Alternate Current Field Measurement") utiliza uma
sonda portátil contendo um sistema de indução de campo uniforme e dois
sensores de campo magnético.
A
corrente alternada induzida é gerada em uma região limitada do corpo de
prova, onde a corrente elétrica alternada é considerada linear. Nessa
região, um campo magnético também linear é produzido. Quaisquer
perturbações nessa região, produzidas por descontinuidades
superficiais, afetarão as componentes desse campo magnético linear.
Duas ou mais bobinas no ar, montadas com eixos ortogonais dentro de uma
sonda, detectarão essas perturbações. Este é o princípio da medição de
campo de corrente alternada, que difere do ensaio por correntes
parasitas.
2. VISÃO GERAL
Para
entender como e por que a técnica de medição de campo de corrente
alternada difere do ensaio por correntes parasitas, é útil conhecer um
pouco de história.
A
técnica de medição de campo de corrente alternada foi originalmente
desenvolvida no Reino Unido na década de 1980 para fornecer informações
sobre a profundidade (altura) de trincas detectadas em estruturas
offshore submersas.
Naquela época, a detecção de trincas de fadiga superficiais era feita
por meio de ensaio por partículas magnéticas ("MT"), mas não havia
métodos satisfatórios para obter a altura da trinca na espessura
(profundidade) e, portanto, a severidade das trincas. Os métodos
ultrassônicos não são adequados para descontinuidades superficiais,
enquanto os métodos por correntes parasitas não conseguiam dimensionar
com precisão descontinuidades com mais de 2 ou 3 mm (0,08 ou 0,12 pol.)
de profundidade. Além disso, ambas as técnicas ("UT" e "EC") exigem
superfícies limpas e sem revestimento. A indústria de petróleo e gás do
Reino Unido estava interessada em uma técnica que pudesse dimensionar
de forma confiável a profundidade de trincas de fadiga submersas, de
preferência sem a necessidade de limpeza extensiva. A técnica de queda
de potencial em corrente alternada ("ACPD=Alternate Current Field
Measurement") foi amplamente utilizada na superfície para monitorar a
profundidade de trincas durante ensaios de fadiga. Ela emprega uma
corrente injetada uniforme em ambos os lados da trinca e utiliza
medições da queda de tensão ao longo da trinca para medir o comprimento
do percurso e, portanto, fornecer uma estimativa precisa da
profundidade da trinca, independentemente das alterações nas
propriedades do material na solda. Contanto que o campo elétrico de
entrada seja uniforme, a profundidade pode ser calculada usando uma
fórmula analítica simples, eliminando a necessidade de calibração no
local.
A
"ACPD" é uma técnica óbvia para ser testada debaixo d'água, mas teve
muito menos sucesso nesse meio devido à necessidade de manter um bom
contato elétrico. A solução foi adaptar a "ACPD" para uma versão que
não exigisse contato elétrico.
Assumindo
as mesmas correntes de entrada uniformes, foi realizado um trabalho de
modelagem teórica para calcular as perturbações na distribuição do
campo magnético acima da superfície, produzidas por descontinuidades
que rompem a superfície. Embora a modelagem pudesse ser aplicada a
qualquer formato de trinca regular, ela foi restrita a semi-elipses,
por serem o formato típico de trincas de fadiga reais. A teoria mostrou
que as medições das amplitudes das perturbações em qualquer direção (X,
Y ou Z) poderiam ser usadas para determinar tanto o comprimento quanto
a profundidade de uma fissura, mas que a solução mais prática era usar
uma combinação das componentes X e Z, porque a componente Y tinha
amplitude menor e era zero diretamente acima da linha de
descontinuidade.
Para
gerar corrente em uma superfície metálica sem contato elétrico, é
necessário utilizar indução. As correntes induzidas dessa forma fluem
em circuitos fechados e, tecnicamente, são chamadas de correntes
parasitas. No entanto, a necessidade de produzir um campo de corrente
de entrada o mais uniforme possível e a exigência de medir duas
componentes de um campo magnético resultam em uma sonda de medição de
campo de corrente alternada com um design muito diferente das sondas de
corrente parasita convencionais. Em particular, a bobina indutora é
sempre separada das bobinas sensoras e precisa ser muito maior e estar
localizada mais acima da superfície do que em uma sonda de corrente
parasita. Além disso, o eixo do indutor é sempre tangente à superfície
(e paralelo à linha esperada de descontinuidade). Dessa forma, as
correntes produzidas por uma sonda de medição de campo de corrente
alternada consistem em um grande circuito duplo, com as bobinas
sensoras localizadas acima da região entre os circuitos
eletromagnéticos, onde as linhas de corrente são paralelas.
3. COMO ACFM FUNCIONA
A técnica
de medição de campo de corrente alternada ("ACFM") envolve induzir uma
corrente localmente uniforme em uma amostra e medir os valores
absolutos do campo magnético acima da superfície da amostra. A corrente
é perturbada pela presença de uma descontinuidade superficial, e estas
produzem perturbações no campo magnético. Amplitudes relativas, em vez
de absolutas, dos componentes do campo magnético são usadas para
minimizar variações devido às propriedades do material, calibração do
instrumento e outros fatores.
Essas
amplitudes relativas são comparadas com valores em tabelas de consulta
produzidas a partir de um modelo matemático para estimar os tamanhos
das descontinuidades sem a necessidade de calibração usando
descontinuidades artificiais, como ranhuras, que muitas vezes não são
representativas de descontinuidades reais ou relevantes. O modelo
teórico usado para produzir as tabelas de dimensionamento é baseado em
uma série de suposições. Uma das premissas é que a corrente de entrada
seja unidirecional e de intensidade uniforme. Assume-se também que a
profundidade de penetração padrão seja pequena em comparação com as
dimensões da descontinuidade e que esta tenha uma forma semi-elíptica
com um comprimento pelo menos duas vezes maior que a profundidade.
A
técnica, em sua forma mais simples, utiliza um instrumento e uma sonda
portátil contendo um sistema de indução de campo e dois sensores de
campo magnético. Um software é utilizado para controlar o instrumento e
exibir, analisar os dados e armazenar os resultados para geração de
relatórios, análise offline e arquivamento.
O
campo localmente uniforme necessário é induzido utilizando um ou mais
solenoides de eixo horizontal, com ou sem "yokes" (entreferros) (ver
Figura 1). O solenoide (bobina de excitação) é tipicamente posicionado
de 15 a 25 mm (0,6 a 1,0 pol.) acima da base da sonda para melhorar a
uniformidade. Observe que a região de campo uniforme também é uma
região de intensidade de campo relativamente baixa. Esta situação
difere daquela observada em uma sonda de correntes parasitas, onde o
eixo da bobina excitadora é vertical e a área diretamente abaixo da
extremidade da bobina está próxima à superfície, onde a intensidade do
campo é máxima, porém não uniforme. Por convenção, a direção desse
campo elétrico é designada como eixo Y, e a direção do campo magnético
uniforme associado (em ângulo reto com o campo elétrico e paralelo à
superfície metálica) é designada como eixo X. O eixo Z é, então, a
direção normal (perpendicular) à superfície (Figura 2).
 
Figura 1: Campo uniforme gerado por um bobina horizontal:
(a) indução de campo magnético por corrente alternada na bobina;
(b) campo uniforme induzido por corrente alternada na superfície metálica.
Figura 2: Coordenadas convencionalmente utilizadas na medição de campos de corrente alternada.
Na
ausência de descontinuidade e com uma corrente uniforme fluindo na
direção Y, o campo magnético é uniforme na direção X, perpendicular ao
fluxo de corrente. Assim, designando as três componentes ortogonais do
campo magnético como Bx, By e Bz, Bx terá um valor positivo constante, enquanto By e Bz serão ambas zero.
A
presença de uma descontinuidade desvia a corrente das partes mais
profundas e a concentra perto das extremidades de uma trinca (Figura
3). O efeito disso é produzir uma ampla queda em Bx ao longo
da descontinuidade, com o valor mínimo coincidindo com o ponto mais
profundo da descontinuidade. A amplitude dessa queda é maior para uma
descontinuidade mais profunda de um determinado comprimento. Ao mesmo
tempo, a concentração de linhas de corrente onde ela flui ao redor das
extremidades da descontinuidade produz pequenos picos em Bx. A mesma circulação ao redor das extremidades da descontinuidade também produz uma componente Bz diferente de zero. O fluxo ocorre no sentido horário em torno de uma extremidade, produzindo um valor negativo de Bz
(ou seja, apontando para dentro da superfície), e no sentido
anti-horário em torno da outra extremidade, produzindo um valor
positivo de Bz (apontando para fora da superfície). A localização dos valores máximos (positivo e negativo) de Bz está próxima, mas não coincide com, as extremidades físicas da descontinuidade.
Legenda:
Bx = componente do fluxo magnético normal ao campo elétrico e paralelo à superfície ensaiada;
Bz = componente do fluxo magnético normal à superfície ensaiada;
T = tempo ou distância de varredura (escala relativa).
Figura 3: Efeito da descontinuidade na superfície sobre o campo magnético.
A componente By
também se torna diferente de zero na presença de uma descontinuidade,
produzindo pares de picos e vales em ambas as extremidades da
descontinuidade, mas estes são antissimétricos em relação à linha da
descontinuidade. Isso significa que um sensor de By varrendo exatamente ao longo da linha de uma descontinuidade não detectaria nenhuma resposta e, portanto, a componente By geralmente não é medida em medições de campo de corrente alternada.
As medições de Bx e Bz
dos sensores na sonda são usadas em conjunto com algoritmos de software
para determinar o comprimento e a profundidade exatos da
descontinuidade. Para auxiliar na interpretação, os componentes Bx e Bz
são frequentemente plotados um contra o outro. Nessa representação, uma
descontinuidade produz uma indicação tipo circuito fechado completo.
Devido ao formato característico desse circuito, a representação é
chamada de gráfico de borboleta (Figura 4). O tamanho desse circuito
não é sensível à velocidade da sonda e, portanto, é usado como um
auxílio valioso na interpretação dos dados coletados e na confirmação
das indicações de descontinuidade, como segue:
Figura 4: Representações de dados de uma descontinuidade longitudinal:
(a) gráfico do registrador gráfico de base de tempo;
(b) gráfico de borboleta.
- A intensidade do campo magnético Bx inicial que é usada para normalizar a perturbação (presença de trinca). Esse valor, denominado “Bx
de fundo”, deve, portanto, ser medido em uma área com propriedades
semelhantes ao valor da área de perturbação (presença de trinca).
Normalmente, essa área fica imediatamente adjacente à descontinuidade,
mas fora de sua influência.
- O valor mínimo de Bx na parte mais profunda da descontinuidade. Este valor é usado em conjunto com o valor de Bx
de fundo, acima, para determinar a amplitude percentual da perturbação,
independentemente da permeabilidade, condutividade, ganho do
instrumento e assim por diante.
- A distância, medida no objeto ensaiado, entre as localizações do pico e do vale no sinal Bz.
4. COBERTURA DO SENSOR E DESLOCAMENTO LATERAL
Um
campo aplicado amplo e uniforme na medição de campo de corrente
alternada significa que a perturbação da corrente proveniente de uma
descontinuidade se estende a certa distância da linha da
descontinuidade. No entanto, existe um limite além do qual uma sonda
não será mais capaz de detectar uma determinada descontinuidade. Essa
distância limite é maior para descontinuidades mais profundas (e, em
menor grau, mais longas) e determina a largura coberta por uma sonda em
uma varredura. Essa cobertura de largura, por sua vez, determina o
número de passagens necessárias para inspecionar uma determinada
largura de cordão de solda, por exemplo, ou o espaçamento ideal entre
os sensores em uma sonda com matriz de sensores. A detectabilidade de
uma descontinuidade depende da rugosidade da superfície, das variações
do sinal de fundo e de outros fatores, mas é razoável esperar que uma
descontinuidade seja detectada se a amplitude do sinal Bx
for de 1% ou mais. A dimensão mínima de descontinuidade detectada de
forma confiável por meio de medição de campo de corrente alternada em
testes cegos em soldas geralmente é de cerca de 1 mm (0,04 pol.) de
profundidade. (NT: nas experiências por nós realizadas esse limiar é
mais próximo de 2 mm)
Como a amplitude de Bx
diminui com o deslocamento lateral, as profundidades de descontinuidade
serão subestimadas se o deslocamento lateral for maior que o valor
assumido nas tabelas teóricas de consulta. Esse valor é zero para
sondas em formato de lápis (que devem ser escaneadas diretamente ao
longo da linha de descontinuidade) e 2,5 mm (0,1 pol.) para sondas
normais de solda com bobinas de 40 mm (1,6 pol.) de comprimento (onde
se assume que a descontinuidade está na base da solda, enquanto os
sensores estão posicionados recuados em relação à frente da sonda).
5. VANTAGENS E DESVANTAGENS DE UM CAMPO UNIFORME
A
técnica de medição de campo de corrente alternada utiliza um campo de
entrada uniforme para permitir a comparação da intensidade do sinal com
as previsões teóricas. No entanto, o uso de um campo uniforme oferece
outras vantagens, bem como desvantagens, em comparação com os ensaios
convencionais de correntes parasitas.
As principais vantagens são:
- Capacidade de inspecionar através de revestimentos com vários milímetros de espessura.
- Capacidade de obter informações sobre a profundidade de fissuras profundas (normalmente até 25 mm [1 pol.]).
- Inspeção facilitada em alterações de materiais, como soldas.
- Facilidade de multiplexação entre sensores com um único indutor.
As principais desvantagens são:
- Menor sensibilidade a pequenas descontinuidades.
- Sinais obtidos a partir de alterações geométricas próximas (por exemplo, bordas de placas). (NT: indicações falsas)
- O sinal depende da orientação da descontinuidade em relação à sonda.
5.1 VANTAGENS
A
principal vantagem de usar um campo uniforme é que a intensidade do
campo de excitação decai relativamente pouco com a distância do
indutor, de modo que a intensidade do campo perturbado por uma
descontinuidade também decai relativamente pouco com a distância acima
da superfície. Isso significa que o desempenho não cai muito
rapidamente com o afastamento (liftoff em correntes parasitas) da
sonda; portanto, a medição de campo de corrente alternada pode ser
usada para inspecionar através de revestimentos não condutores bastante
espessos. Assim, a medição de campo de corrente alternada pode ser
usada em superfícies pintadas, irregulares ou enferrujadas, ou em
estruturas cobertas com revestimentos protetores ou resistentes ao fogo
com vários milímetros de espessura, o que pode proporcionar uma grande
economia de tempo em comparação com técnicas ou métodos que exigem a
remoção desses revestimentos antes da inspeção, como o ensaio por
líquido penetrante (LP) ou o ensaio por partículas magnéticas (PM).
A
segunda vantagem é que o indutor maior necessário força as correntes a
fluir mais longe do topo de uma trinca profunda. As correntes das
sondas de correntes parasitas convencionais fluem em círculos com
alguns milímetros de diâmetro e, quando uma sonda se encontra sobre uma
trinca profunda, a corrente se divide em dois círculos separados, um de
cada lado da trinca, fluindo apenas alguns milímetros em cada face da
trinca. Como praticamente nenhuma corrente flui até o fundo da trinca,
não é possível obter informações sobre a sua localização, e, portanto,
a profundidade da trinca não pode ser medida. Com uma sonda de medição
de campo de corrente alternada, a grande bobina indutora força a
corrente a fluir muito mais profundamente nas faces da trinca e,
consequentemente, permite a medição de profundidades maiores
(tipicamente de 15 a 30 mm [0,6 a 1,2 pol.], dependendo do tipo de
sonda). Como a medição de campo de corrente alternada fornece
informações sobre o comprimento, bem como sobre a profundidade, em
comparação com os ensaios por líquido penetrante (LP) ou por partículas
magnéticas (PM), ela também economiza tempo na remoção de
descontinuidades de profundidade insignificante. Além disso, a técnica
é relativamente insensível a mudanças nas propriedades do material,
tornando-a ideal para a inspeção de soldas.
Uma
terceira vantagem de um campo uniforme surge ao inspecionar uma solda
ou outra interface entre dois metais com permeabilidade ou
condutividade diferentes. Neste caso, assumindo que a sonda está a
procurar descontinuidades paralelas à fronteira, não é necessário
qualquer movimento da sonda através da fronteira, pelo que não existem
sinais causados pela alteração da propriedade do material. Além
disso, as correntes fluem perpendicularmente à fronteira, pelo que o
efeito desta alteração do material é reduzido, mesmo quando a sonda se
aproxima dela. O padrão de varredura simples necessário para a medição
do campo de corrente alternada é de grande vantagem quando se realizam
inspeções com robôs, escâneres ou outros dispositivos de varredura
remotos.
Finalmente,
um campo uniforme pode ser produzido por uma única bobina indutora de
grande porte, sob a qual pode ser colocada uma matriz de bobinas
sensoras. Como o indutor pode ser energizado continuamente e as saídas
dos sensores são obtidas por multiplexação simples, não há
interferência entre os sensores, como ocorre quando as bobinas
funcionam tanto como indutores quanto como sensores. Isso torna a
fabricação e o controle de sondas de matriz multissensorial mais
simples.
5.2 DESVANTAGENS
Além
das vantagens de usar um campo uniforme, descritas acima, existem
algumas desvantagens. A principal desvantagem de usar um campo uniforme
é a redução da sensibilidade. Isso é mais evidente em superfícies lisas
e limpas, onde a medição do campo de corrente alternada é menos
sensível a descontinuidades curtas e/ou rasas do que as técnicas
convencionais de correntes parasitas. A menor descontinuidade
detectável em uma boa superfície com medição de campo de corrente
alternada tem cerca de 2 mm (0,08 pol.) de comprimento ou 0,3 mm (0,01
pol.) de profundidade. (NT: nas experiências de levantamento de PoD que
realizamos os valores citados são aproximadamente 15 mm X 1,8 mm)
Uma
segunda desvantagem de um campo uniforme é que, como as correntes se
espalham mais pela superfície de inspeção, os sinais são afetados por
mudanças geométricas locais, como bordas e cantos da placa. Embora
esses sinais geralmente não tenham a mesma forma que um sinal de uma
descontinuidade, eles podem confundir o operador. Se muitas geometrias
semelhantes estiverem sendo inspecionadas, o operador pode aprender
quais sinais são devidos apenas à geometria e, em seguida, ignorá-los,
ou varreduras de locais sem descontinuidades com a mesma geometria
podem ser armazenadas e exibidas para comparação.
Uma
terceira desvantagem é que os sinais obtidos de uma descontinuidade
dependem da sua orientação. O modelo teórico de campo uniforme sugere
que nenhum sinal é produzido quando uma sonda varre uma descontinuidade
transversal (por exemplo, uma perpendicular à solda), uma vez que o
fluxo de corrente é paralelo à descontinuidade e não seria perturbado.
Na prática, entretanto, há um sinal de fuga de fluxo produzido nessa
situação (causado por linhas de fluxo magnético que saltam sobre a
descontinuidade). Esses sinais são muito diferentes daqueles produzidos
por uma descontinuidade longitudinal, mas permitem ao operador
reconhecer uma descontinuidade transversal e realizar varreduras
adicionais ao longo da linha da descontinuidade para dimensioná-la.
Alternativamente, as sondas podem incluir duas bobinas indutoras
ortogonais, que são energizadas alternadamente, de modo que
descontinuidades em qualquer orientação possam ser detectadas e
dimensionadas.
5.3 APLICAÇÕES
A
técnica de medição de campo de corrente alternada é utilizada por
empresas de inspeção e proprietários de componentes fabricados para
inspeção de soldas em plantas de processos petroquímicos, plantas
farmacêuticas, estruturas de poços offshore, pontes rodoviárias e
montanhas-russas. Originalmente introduzida na indústria offshore para
inspeção de soldas submarinas, a utilização da medição de campo de
corrente alternada expandiu-se para incluir a inspeção de vasos de
pressão, tubulações de processo e roscas e tubos condutores ("risers")
de tubos de perfuração ("drill pipes") de petróleo.
Desenvolvimentos
recentes incluem sistemas automatizados e semiautomatizados para
reduzir a dependência de operadores e o uso de tecnologia de múltipos
sensores ("array") para aumentar a velocidade de inspeção.
A
medição de campo de corrente alternada pode ser usada para a inspeção
de materiais não ferromagnéticos, mas é menos eficaz nessa função. A
profundidade efetiva de penetração em materiais não ferríticos com a
medição de campo de corrente alternada é drasticamente reduzida. Isso
contrasta fortemente com a filosofia padrão de correntes parasitas.
Deve-se notar também que descontinuidades volumétricas, como corrosão
por pite ou porosidade, geram sinais muito mais fracos do que
descontinuidades planas, portanto, não é recomendável o uso de medições
de campo de corrente alternada para essa finalidade.
6. TESTE DE
REVISÃO
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