ultra som em vaso de pressão, Notas de estudo de Cultura

Baixe ultra som em vaso de pressão e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! AVALIAÇÃO POR ULTRA-SOM DE TRATAMENTO TÉRMICO DE ALÍVIO DE TENSÕES EM COMPONENTE INDUSTRIAL Linton Patricio Carvajal Ortega Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Ingenieria Metalúrgica Alonso de Ercilla # 2961, Ñuñoa, Santiago, Chile licarvaj@lauca.usach.cl Carlos Alfredo Lamy Instituto de Engenharia Nuclear (IEN/CNEN) Via 5, C.P. 68.550, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, 21945-970 Rio de Janeiro (RJ), Brasil lamy@ien.gov.br Marcelo de Siqueira Queiroz Bittencourt Instituto de Engenharia Nuclear (IEN/CNEN) Via 5, C.P. 68.550, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, 21945-970 Rio de Janeiro (RJ), Brasil bittenc@ien.gov.br Marcelo Melo Maraes Nuclebras Equipamentos Pesados S.A. (NUCLEP) Av. Gen. Euclides de Oliveira Figueiredo, 200, Brisa Mar, Itaguaí (RJ), Brasil comercial@nuclep.gov.br João da Cruz Payão Filho Coordenação dos Programas de Pós-graduação de Engenharia (COPPE/UFRJ) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Enga Metalúrgica e de Materiais Centro de Tecnologia, Sala F-210, C.P. 68.505, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, 21945-970 Rio de Janeiro (RJ), Brasil jpayao@metalmat.ufrj.edu.br Resumo: Os processos de fabricação normalmente introduzem tensões internas nos materiais, tornando muitas vezes necessária, por isso, a realização de tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT) em estruturas ou componentes. Esses tratamentos térmicos são conduzidos sob rigoroso controle da temperatura e do tempo, porém seus resultados nem sempre são avaliados, seja por motivos técnicos ou financeiros. A técnica ultra-sônica desponta, assim, como uma ferramenta promissora na avaliação de TTAT. Nesse trabalho foram medidos os tempos de percurso de ondas ultra-sônicas em pontos próximos a um cordão de solda de uma câmara hiperbárica de aço de alta resistência, de 170mm de espessura, bem como de uma peça de referência. Esses testes ultra-sônicos foram realizados antes e após um TTAT. Os resultados comprovaram que o ultra-som é bastante eficiente na avaliação do TTAT, pois é uma técnica de inspeção rápida e não destrutiva, e que ele poderia, inclusive, servir de ferramenta na determinação do menor tempo e da menor temperatura de TTAT capazes de proporcionar o alívio de tensões desejado, reduzindo, assim, o consumo de energia. Palavras-chaves: análise de tensão, ultra-som, tratamento térmico. 1. Introdução Os processos de fabricação normalmente geram tensões internas nos materiais, o que muitas vezes torna necessária a realização de tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT) em estruturas e componentes. Esses TTAT, feitos sob critérios rígidos e com severo controle, porém, nem sempre têm seus resultados avaliados, seja por motivos técnicos ou financeiros. Em vista disso, foi desenvolvida uma técnica de análise de tensões baseada na variação da velocidade de propagação de onda ultra-sônica (Bittencourt, 2000 (1)). Essa técnica, por ser não destrutiva, simples, inócua ao operador, rápida e barata, vem despontando como uma poderosa ferramenta na análise de tensões (Lamy et al., 2002; Bittencourt et al., 2000 (2)). Nesse trabalho, é mostrado como o uso dessa técnica permite avaliar a eficiência do TTAT em componentes pesados fabricados por soldagem. 2. Revisão bibliográfica Quando uma onda ultra-sônica se move numa determinada direção em um meio elástico, a sua velocidade de propagação depende, fundamentalmente, das constantes elásticas de segunda ordem do meio e, portanto, da sua simetria estrutural. A presença de um estado de tensões elásticas produz pequenas mudanças nesta velocidade de propagação (fenômeno conhecido como efeito acustoelástico), sendo que, agora, a velocidade de propagação da onda ultra-sônica depende também das constantes elásticas de terceira ordem. Conseqüentemente, é possível avaliar o estado de tensões da região percorrida pela onda ultra-sônica medindo a sua velocidade de propagação. 02 a 06 de Junho de 2003 / June 2 to 6 2003 Rio de Janeiro - RJ - Brasil Utilizando-se as velocidades de propagação das ondas ultra-sônicas longitudinal e transversal num meio isotrópico livre de tensões cL ( ρ= EcL , onde E é o módulo de Young e ρ a densidade do meio) e cT ( ρ= GcT , onde G é o módulo de cisalhamento do meio), respectivamente, e considerando um estado generalizado de tensões, demonstra-se que para ondas ultra-sônicas se propagando na direção k de um dos componentes de tensão principal (Hauk, 1997): ( )ji2k1 L Lkk KK c cc σ+σ+σ= − , (1) j5i4k3 T Tki KKK c cc σ+σ+σ= − , (2) j4i5k3 T Tkj KKK c cc σ+σ+σ= − , (3) onde cij é a velocidade da onda de ultra-som se propagando na direção i e polarizada na direção j, σi, σj e σk são as tensões principais e K1 ... K5 são as chamadas constantes acustoelásticas, que dependem das constantes elásticas de segunda e terceira ordem. Em aços, K1, K3 e K4 são negativas e K2 e K5 são positivas (Egle, 1978). Logo, o uso de ondas ultra-sônicas longitudinais ou cisalhantes de incidência normal no modo pulso-eco permite, em princípio, obter a tensão média através da espessura de materiais com geometria tipo chapa. A principal desvantagem do uso de ondas longitudinais é que há necessidade de conhecer, com muita precisão, a espessura do material, o que raramente é possível. A utilização de duas ondas ultra-sônicas cisalhantes com incidência normal à superfície, polarizadas transversalmente uma em relação à outra (Eq. (2) e Eq. (3)), permite eliminar esta última limitação. Combinando-se a Eq. (2) com a Eq. (3), obtém-se a Eq. (4). ( )( )ji54 ki kikj T kjki KK t tt c cc B σ−σ−= − = − = , (4) onde cT foi aproximada a cki. A Eq. (4) descreve a diferença fracional de velocidade, causada pela presença do campo de tensões, das duas ondas ultra-sônicas percorrendo o mesmo espaço. Este fenômeno, denominado birrefringência acústica, deve-se à polarização perpendicular das duas ondas ultra-sônicas cisalhantes e ao fato do efeito da tensão ser maior sobre a velocidade de uma onda de ultra-som cuja direção de polarização coincide com a direção da tensão. O efeito da birrefringência permite caraterizar o estado de tensões em termos da diferença de duas tensões principais. Uma das vantagens da técnica da birrefringência acústica é que ela não é influenciada nem pela temperatura nem pela espessura do meio, visto que para obter as tensões é necessário conhecer somente a diferença entre as velocidades de propagação de duas ondas cisalhantes polarizadas em duas direções perpendiculares entre si. Como essas velocidades de propagação das ondas de ultra-som são medidas no mesmo ponto da peça e, praticamente, ao mesmo tempo, elas são influenciadas da mesma forma pela temperatura e/ou espessura. Variações microestruturais pontuais, como as que ocorrem em grãos, interfaces, segundas fases, precipitados, interstícios, lacunas e discordâncias, contudo, alteram as constantes elásticas de terceira ordem, modificando, assim, as constantes acustoelásticas, influenciando a velocidade de propagação da onda de ultra-som na mesma magnitude que as tensões. Além disso, a presença de textura em metais muda levemente as constantes elásticas de segunda ordem, produzindo, então, anisotropia acústica. No caso da utilização de ondas cisalhantes de incidência normal, isto se traduz na existência de birrefringência acústica (B0) associada a leves diferenças nos módulos de cisalhamento nas direções mutuamente perpendiculares. Assim, a avaliação quantitativa das tensões não é trivial. É neste contexto que reside a importância de se avaliar o tratamento térmico de alívio de tensões sem necessidade de uma quantificação absoluta. 3. Materiais e métodos Foi fabricada uma câmara hiperbárica (Fig. (1)) para a realização de testes de equipamentos submarinos de grandes dimensões com pressões de até 3.000m de coluna d'água (300bar). Pesando 90,6 ton., essa câmara hiperbárica, feita de aço de alta resistência, tem espessura de 170mm a 250mm, aproximadamente 2m de diâmetro interno e cerca de 5m de comprimento. Para avaliar as propriedades mecânicas de suas juntas soldadas, foi confeccionada uma peça de referência (PR) soldada, utilizando os mesmos metais de base, de adição e procedimento de soldagem usados na fabricação da câmara hiperbárica. Essa PR e a câmara hiperbárica foram, a Tabela 1. Tempo de percurso das ondas ultra-sônicas cisalhantes com a direção de polarização perpendicular (t(⊥)) e paralela (t(//)) ao cordão de solda da câmara hiperbárica, diferença entre esses tempos, birrefringência acústica (B) e razão entre as birrefringências antes e após o tratamento térmico de alívio de tensões. Tempo de percurso das ondas ultra-sônicas, em [ns], diferença entre esses tempos de percurso, em [ns], e birrefringência acústica (B) Sem TTAT Com TTAT Ponto t(//) t(⊥) t(⊥)-t(//) B t(//) t(⊥) t(⊥)-t(//) B Razão entre as birrefrin- gências antes e após o TTAT 3 107,490 106,720 -770 -0,0072 106,3700 106,4800 110,0 0,0010 -7,0 4 106,575 106,695 120 0,0011 106,6275 106,6800 52,5 0,0005 2,3 5 106,610 106,730 120 0,0011 106,6500 106,6975 47,5 0,0004 2,5 6 106,660 106,770 110 0,0010 106,6800 106,7100 30,0 0,0003 3,7 -0,0080 -0,0060 -0,0040 -0,0020 0,0000 0,0020 3 4 5 6 Pontos B Sem TTAT Com TTAT Figura 4. Birrefringência acústica (B) nos locais próximos do cordão de solda (pontos 3 a 6, Fig. (2)) na câmara hiperbárica antes e após tratamento de alívio de tensões. Os resultados obtidos dos sinais ultra-sônicos na PR antes e após o TTAT (tempos de percurso das ondas ultra-sônicas com a direção de polarização paralela e perpendicular ao cordão de solda, diferença entre esses tempos, birrefringências acústicas e relação entre essas birrefringências) são mostrados na Tab. (2). As birrefringências acústicas calculadas com a Eq. (4) são apresentados na Fig. (5). Como se vê, foi possível medir o tempo de percurso da onda cisalhante na solda (ponto 7) da PR. Isso porque ocorreram pelo menos dois ecos, bem definidos, com a onda ultra-sônica percorrendo a solda numa espessura de 170mm. Com este resultado, pode-se concluir que, apesar da grande espessura, a atenuação foi muita baixa, provavelmente pelo fato da solda ter pouca ou nenhuma porosidade ou inclusão de escória, bem como por sua microestrutura ser fina. Tabela 2. Tempo de percurso das ondas ultra-sônicas cisalhantes com a direção de polarização perpendicular (t(⊥)) e paralela (t(//)) ao cordão de solda da peça de referência, diferença entre esses tempos, birrefringência acústica (B) e razão entre as birrefringências antes e após o tratamento térmico de alívio de tensões. Tempo de percurso das ondas ultra-sônicas, em [ns], diferença entre esses tempos de percurso, em [ns], e birrefringência acústica (B) Sem TTAT Com TTAT Ponto t(//) t(⊥) t(⊥)-t(//) B t(//) t(⊥) t(⊥)-t(//) B Razão entre as birrefrin- gências antes e após o TTAT 1     106,74 106,8603 120,3 0,0011 2,6 2 106,73 107,02 290 0,0027 106,73 106,84 110 0,0010 3,1 3 106,63 106,96 330 0,0031 106,5733 106,68 106,7 0,0010 1,3 7* 107,6517 107,1208 -530,9 -0,0049 107,0883 106,6800 -408,3 -0,0038 1,3 4 106,46 106,70 240 0,0023 106,72 106,90 180 0,0017 1,5 5 106,65 106,87 220 0,0021 106,77 106,92 150 0,0014 1,6 6 106,6725 106,8600 187,5 0,0018 106,83 106,95 120 0,0011 2,6 * O ponto 7 corresponde à medida feita na solda. -0,006 -0,004 -0,002 0 0,002 0,004 1 2 3 7 4 5 6 Pontos B Sem TTAT Com TTAT Figura 5. Birrefringência acústica (B) na peça de referência com e sem tratamento de alívio de tensões (o ponto 7 corresponde à medida feita na solda). Uma análise qualitativa dos resultados referentes aos pontos 4, 5 e 6 permite deduzir um comportamento similar ao encontrado na câmara hiperbárica. Porém, pode ser observado que a PR sem TTAT não serve para simular quantitativamente a tensão gerada pela solda na câmara, uma vez que a birrefringência nos pontos próximos à solda (pontos 3 e 4) é muito menor que a birrefringência do ponto próximo à solda da câmara hiperbárica (ponto 3). Isto mostra que a PR é importante para avaliar as propriedades mecânicas das microestruturas da câmara hiperbárica após o TTAT, mas não as tensões nelas existentes. Em relação ao ponto 7 (na solda), observa-se que a birrefringência é negativa, o que está associado parcialmente à existência de tensões trativas no cordão. Mas, após o tratamento, embora haja queda no valor absoluto de B (valor menos negativo), associado à uma diminuição das tensões trativas, o valor de B ainda é alto, significando que há uma importante anisotropia estrutural, inerente ao cordão de solda. No presente trabalho, não foi possível fazer mais medidas de tempo de percurso de onda ultra-sônica. Pelo fato da análise de tensões com ultra-som não fazer parte do projeto de fabricação da câmara hiperbárica e, conseqüentemente, não existir uma programação para medir o tempo de percurso de ondas ultra-sônicas, não foi possível fazer um estudo mais completo com maior número de medidas, bem como uma avaliação do material no estado como recebido (antes da soldagem). Apesar disso, os resultados apresentados na Tab. (1) e Tab. (2) e na Fig. (4) e Fig. (5) mostram claramente que a técnica ultra-sônica empregada nesse trabalho permite avaliar o TTAT sem a necessidade determinar quantitativamente (medir) tensões. Logo, é possível inferir que se a utilização desta ferramenta fosse considerada no início de um processo de fabricação de um determinado componente, ela poderia fornecer informação adicional em relação ao material prévio usado no processo (fundamentalmente em relação à sua simetria), o que conduziria a conclusões ainda mais firmes a respeito do TTAT. Mais ainda, se o processo de fabricação for repetitivo, poder-se-ia, então, estabelecer valores ótimos de tempo e temperatura de TTAT, reduzindo, assim, o consumo de energia. 5. Conclusões A técnica de avaliação de tensões com ultra-som mediante a utilização de ondas cisalhantes de incidência normal permite verificar não destrutivamente, e de maneira rápida, barata e simples, a eficiência do tratamento térmico de alívio de tensões geradas no processo de fabricação de soldagem. Essa técnica poderia, inclusive, servir para otimizar o tempo e a temperatura de tratamento térmico de alívio de tensões, de maneira a atingir o alívio de tensões desejado, reduzindo, assim, o consumo de energia. 6. Referências Bittencourt, M.S.Q., 2000 (1), “Desenvolvimento de um Sistema de Medida de Tempo Decorrido da Onda Ultra- sônica e Análise do Estado de Tensões em Materiais Metálicos pela Técnica da Birrefringência Acústica”, dissertação de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Bittencourt, M.S.Q.; Payão Filho, J.C.; Lamy, C.A. e Gonçalves Filho, O.J.A., 2000 (2), "Avaliação por Ultra- som do Tratamento Térmico para Alívio de Tensões em Aço, XII ENFIR, 15-20 de outubro de 2000, Rio de Janeiro – RJ Egle, D.M. e Bray, D.E., 1978, “Nondestructive Measurement of Longitudinal Rail Stresses: Application of the Acoustoelastic Effect to Rail Stress Measurement”, Federal Railroad Administration, Washington, D.C. , Report(?), January 1978 Hauk, V., 1997, “Structural and Residual Stress Analysis by Nondestrutive Methods: Evaluation, Application, Assesment”, Elsevier, pp. 523-563. Lamy, C.A.; Payão Filho, J.C.; Bittencourt, M.S.Q. e Areas, V.L.F., 2002, "Avaliação por Ultra-som do Tratamento Térmico para Alívio de Tensões”, VI Conferência Sobre Tecnologia de Equipamentos e XXI Congresso Nacional de Ensaios Não Destrutivos, 19 a 21 de ago. de 2002, 10 pp., Salvador − BA Ortega, L.P.C., 2001, "Análise de Tensões por Ultra-som da Refração de Ondas com Incidência Oblíqua", dissertação de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Payão Filho, J.C.; Bittencourt, M.S.Q. e Lamy, C.A., 1998, “Determinação da Direção de Laminação de Aços e Ligas de Alumínio por Ultra-som”, Soldagem & Inspeção (ISSN 0104-9224), vol. 4, no 3, pp. 12/16.