Dimensionamento de defeitos em soldas de dutos — O que realmente podemos conseguir?

Procedimentos da Conferência ASME PVP:
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Julho de 2004, San Diego, Califórnia
PVP2004-2811

Resumo

Os dutos utilizam Fitness-For-Service (FFS) para aprovar/reprovar os defeitos da solda. O Fitness-For-Service exige medição precisa da altura do defeito para avaliação da Fratura Mecânica. A técnica de radiografia para a inspeção padrão de solda de dutos é incapaz de realizar tais medições. No entanto, a nova técnica de ultrassom pode medir a altura do defeito, em princípio. Inicialmente, os métodos de amplitude ultrassônica foram utilizados para medição de altura, mas não se mostraram confiáveis. Agora, os métodos de difração, especialmente o tempo de voo de onda difratada (ToFD), estão sendo utilizados conjuntamente. Este artigo analisa trabalhos precedentes — principalmente grandes pesquisas nucleares como o PISC II — sobre pesquisas publicadas sobre dimensionamento de dutos. O melhor dimensionamento nuclear foi de alguns milímetros, com difração. Diferente do método nuclear, o ultrassom automatizado em dutos utiliza discriminação de zonas, transdutores focados, material muito mais fino e técnicas de análise mais simples. As precisões atuais são normalmente de +1 mm (terminologia indefinida), que se correlacionam com o tamanho do ponto do feixe e o passo típico da solda. Solicitações de precisão de +0,3 mm são provavelmente inalcançáveis, embora pesquisas e desenvolvimentos futuros devam melhorar significativamente o dimensionamento de dutos.

Introdução

Os defeitos ocorrem sempre na soldagem, mesmo quando se usa os procedimentos mais rigorosos. Na prática, não é realista remover todos os defeitos na manutenção, portanto, alguns critérios de aceitação devem ser usados para determinar quais defeitos devem ser removidos e quais podem ser mantidos. Esse cenário tornou-se ainda mais importante com a chegada dos aços de alta resistência, em que a moagem e a ressolda normalmente destroem a microestrutura controlada; o reparo pode ser mais danoso do que deixar o defeito.

Nas últimas décadas, ocorreu um afastamento dos critérios de “mão de obra”, em que defeitos foram aceitos ou rejeitados principalmente no que diz respeito ao que o sistema de inspeção poderia detectar, para os critérios de “Fitness-For-Service” (FFS), que são baseados em Fratura Mecânica (também chamada de Avaliação Crítica de Engenharia, ou ECA — sigla em inglês). O “Fitness-For-Service” usa a tenacidade do material, os dados de crescimento da trinca e o ciclo de trabalho do componente para estimar a vida útil e, portanto, o tamanho inicial aceitável do defeito. O conservantismo é incorporado aos cálculos, dando margem de erro às entradas: tenacidade, taxas de crescimento e medidas dos defeitos. Normalmente, o “Fitness-For-Service” permite defeitos muito maiores que os critérios de “mão de obra”, o que reduz as taxas de rejeição e os custos. Porém, no “Fitness-For-Service” é essencial medir com precisão e confiabilidade o parâmetro principal do defeito: sua altura.

Na década de 1980, a indústria nuclear era a principal indústria a pesquisar o dimensionamento dos defeitos, tendo o “Fitness-For-Service” começado neste setor. Desde a chegada do ultrassom automatizado na indústria de gasodutos[1], o método de ultrassom automatizado está se tornando o tipo de inspeção preferida por causa do “Fitness-For-Service”. A utilização do ultrassom automatizado e do “Fitness-For-Service” reduziu significativamente as taxas de rejeição (embora isso seja por causa, parcialmente, da capacidade do ultrassom automatizado de executar o controle do processo).

Durante várias décadas, a principal técnica de inspeção de solda de dutos foi a radiografia, baseada em critérios de “mão de obra”. Além dos óbvios riscos à segurança, um grande defeito da radiografia é sua incapacidade de medir a altura do defeito, eliminando a opção de “Fitness-For-Service”. Nas últimas décadas, o ultrassom tem prevalecido; ele é capaz de medir a altura do defeito, mas essa medição, na prática, é difícil e cheia de erros. As duas principais abordagens são baseadas na amplitude e na difração. Falaremos sobre isso abaixo.

Amplitude × Difração

Técnicas de amplitude
As abordagens iniciais de dimensionamento de defeitos foram baseadas na amplitude do retorno do sinal, correlacionando-o com o refletor usinado equivalente, assim como um sulco ou abertura lateral perfurada. Contudo, a correlação entre o tamanho do defeito e a amplitude é pequena[2]; isso não chega a ser uma surpresa, dada a quantidade de variáveis do material, do equipamento e do defeito em si. O material tem velocidade potencial e variações microestruturais, principalmente em aços; o equipamento possui variações potenciais de amplitude por causa do tipo do pulsador, da banda de frequência, do cabeamento e outros parâmetros elétricos inerentes.

Talvez a maior variável seja o próprio defeito. O ultrassom é extremamente sensível à orientação dos defeitos e, também, à transparência, rugosidade, curvatura e localização. O ultrassom é particularmente pouco confiável para medição de defeitos verticais, apesar da utilização de ângulos apropriados de inspeção pareça melhorar os critérios de amplitude[3]. A técnica alemã DGS compara as amplitudes dos defeitos com as de um refletor conhecido[4]; o resultado do defeito é “não menor que um refletor usinado”, o que não é útil para o “Fitness-For-Service”. Resumindo, as técnicas de dimensionamento baseadas na amplitude normalmente não são confiáveis para os padrões exigidos pelo “Fitness-For-Service”.

Como a grande maioria dos defeitos ainda é medida com técnicas baseadas na amplitude — seja de 6 dB, 10 dB ou 20 dB[5] —, o comentário de alguns especialistas são apropriados. Primeiro, “qualquer defeito menor que o feixe tende a ser dimensionado com a mesma largura do feixe”. Isso ocorre porque os defeitos pequenos tendem a ser emissores onidirecionais, portanto eles realizam emissões em qualquer direção dentro do feixe. Contudo, os pequenos defeitos normalmente não são estruturalmente importantes na maioria dos casos, por isso os dados de fundo referentes aos pequenos defeitos são limitados[6]. Segundo, “pequenos defeitos tendem a ser superdimensionados e os grandes, subdimensionados”[7]. O “caso de superdimensionamento de pequenos defeitos” é facilmente compreendido pela emissão onidirecional e propagação do feixe. Todavia, o “subdimensionamento dos grandes defeitos” é preocupante. Essa situação é fácil de acontecer se o defeito possuir uma curvatura, por exemplo, de forma que o feixe de um transdutor com ângulo fixo ultrapasse as bordas, indicando menor amplitude e tamanho medido. O subdimensionamento de grandes defeitos é um problema importante para a integridade estrutural.

Abordagem com difração
No final dos anos 1970, Silk e Harwell[8] desenvolveram uma técnica de dimensionamento (e detecção) chamada de tempo de voo de onda difratada (ToFD). Essa técnica usa ondas difratadas de baixa amplitude de pontas de defeitos para dimensioná-los e é significativamente mais precisa que o critério de amplitude. O princípio básico do tempo de voo de onda difratada é mostrado na figura 1.
O fenômeno da difração é bem comum no ultrassom e várias técnicas alternativas de difração foram desenvolvidas, cada uma com suas vantagens e desvantagens. A técnica padrão de tempo de voo de onda difratada usa pulsador e receptor separados, um de cada lado da solda ou componente, além da codificação da posição e o registro de dados em um computador. A técnica de voo de onda difratada possui zonas mortas significativas no diâmetro externo e interno, além de problemas de interpretação. O tempo de voo de onda difratada também tem suas limitações quanto ao menor defeito que pode ser dimensionado, normalmente por ringdown de feixe (cerca de 3 mm para tubulações). Mesmo assim, os resultados de tempo de voo de onda difratada foram impressionantes. A figura 2 mostra uma comparação entre o dimensionamento baseado em amplitude e ToFD em um teste de detecção de defeitos realizados no Reino Unido [9].


Figura 1: Princípios de ToFD





Figura 2: Amplitude × difração da placa DDT 1 (superior: todas as técnicas de dimensionamento; inferior: somente ToFD).
Várias abordagens diferentes de difração foram desenvolvidas, incluindo transdutores de difração de fundo e modo misto. Além disso, outras técnicas baseadas em amplitude e sinais também foram experimentadas: análise de frequência[10], reconhecimento de padrão, HOLOFAST[11]. No geral, nenhuma dessas técnicas foi comercializada, embora a difração de fundo seja usada com frequência.
A difração de fundo utiliza apenas um transdutor para enviar e detectar os sinais difratados. Isso simplifica muito o sistema e permite operação manual. No entanto, a física da difração de fundo é mais fraca que a difração direta, e a identificação de sinais de ponta difratada pode ser difícil. Entretanto, a precisão da difração de fundo é similar à do tempo de voo de onda difratada[12], tem a vantagem de dimensionar pequenos defeitos (até 0,5 mm em dutos) com zonas mortas menores[13]. A abordagem básica é mostrada na figura 3.

Figura 3: Dimensionamento de defeitos com difração de fundo.

Estudos de dimensionamento nuclear
Embora muitas indústrias tiveram interesse nos recursos do dimensionamento de defeitos[14], a indústria nuclear realizou pesquisas importantes para determinar a capacidade da detecção e dimensionamento de defeitos. As duas maiores evidências foram o PISC II e DDT. Particularmente, o PISC II foi global, com cerca de cinquenta equipes que inspecionaram quatro componentes com aproximadamente 200 defeitos[7]. O tamanho e o escopo desta pesquisa permitiram uma boa análise estatística dos resultados, da precisão do tamanho e da análise dos defeitos. Sem surpresas, o defeito mais difícil de ser encontrado foi a trinca pequena. Contudo, o dimensionamento apresentou algumas inovações visto que uma variedade de novas técnicas foi experimentada. O PISC II foi o primeiro teste público feito com o tempo de voo de onda difratada, os resultados foram encorajadores[15]. A precisão média de dimensionamento da equipe de Risley da UKAEA foi de alguns milímetros em uma chapa com espessura de centena de milímetros (ou seja, ~1%).

Existem diferenças significativas entre essas pesquisas nucleares e as pesquisas atuais de dimensionamento de dutos:
• Primeiro, a pesquisa PISC II foi enorme, o que permitiu a realização de estudos paramétricos substanciais.
• Segundo, os vasos nucleares pressurizados são mais espessos que os gasodutos, embora não seja possível aumentar a frequência do ultrassom em tubulações por causa da atenuação provocada pelo aço.
• Terceiro, a indústria nuclear utiliza raster ToFD e Synthetic Aperture Focusing (SAFT), o que aumenta ligeiramente a precisão do ToFD linear na indústria petroquímica.
• Quarto, chegou uma nova tecnologia, incluindo melhor manipulação de dados, processamento e visualização de Phased Array. Embora o Phased Array não altere a física, ele permite inspeções multiangulares e otimizadas.
• Quinto, os dutos usam sistematicamente transdutores altamente focados, o que reduz o tamanho do feixe, melhora a relação de sinal-ruído e minimiza os reflexos geométricos espúrios.
• Sexto, os defeitos do duto (d) possuem tipicamente a mesma altura que o comprimento da onda ultrassônica (λ), o que dificulta a análise teórica.
• Sétimo, o PISC usou superfícies alinhadas à terra, enquanto os dutos têm refletores geométricos a partir da raiz e da coroa.
• Último, a qualidade exigida (ou seja, tempo e dinheiro gastos) é, normalmente, significativamente maior para a energia nuclear do que para dutos. A elevação de plataformas marítimas e tendões podem ser uma exceção.
Não obstante, as conclusões gerais das pesquisas nucleares aplicam-se aos dutos. A detecção e o dimensionamento com a técnica pulso-eco têm limitações; o ToFD é bom para o dimensionamento (e detecção) na maioria dos casos, mas, idealmente, tanto o ToFD quanto o pulso-eco devem ser usados[15]; é possível obter precisão da dimensão em milímetros (melhor em dutos).

Terminologia e procedimentos para dimensionamento de dutos
Ao contrário dos testes PISC II extremamente dispendiosos, as pesquisas em dutos tendem a ser menores e mais fragmentadas. Os detalhes da metodologia tendem a ser escassos e a quantidade de dados limitada. Infelizmente, muitas validações de dutos e estudos de dimensionamento são de propriedade particular e não podem ser publicados. A lista abaixo contém alguns dos resultados públicos.

Para os procedimentos de análise, os operadores de dutos costumam cortar os tubos em forma de “salame” para obter o tamanho aproximado do defeito ou bloquear as soldas, diferentemente da metalografia meticulosa do PISC II. Intrinsecamente, isso leva a alguns erros de dimensionamento e detecção; não há dados concretos disponíveis, mas os erros metalúrgicos parecem ser da mesma ordem que as precisões de dimensionamento reivindicadas. As técnicas alternativas são de bloqueio e corte a vácuo na amplitude máxima do ultrassom (que pode não ser a profundidade máxima). As varreduras em dutos geralmente são realizadas uma vez (como no mundo real), e as varreduras detalhadas não são utilizadas (ao contrário da indústria nuclear). O dimensionamento do duto com frequência é baseado no tamanho da área em conformidade com o código ASTM E-1961[16], ou uma versão modificada do tamanho da amplitude[17]. O dimensionamento é rápido e aproximado, não é detalhado como o nuclear.

A terminologia de dimensionamento de defeitos é confusa. Normalmente, a precisão do dimensionamento do defeito é indicada com precisão de ±Y mm. A base científica para o ±Y mm nem sempre é especificada, mas poderia ser:
1. Erro máximo (talvez dois desvios padrões [σ] ou 95% dos resultados)
2. Desvio padrão σ,
3. Valor ASME RMS, ou
4. Erro de banda geral, isto é, um "eyeball range". Alguns autores citam especificamente o σ ou RMS; em outros casos, o procedimento parece ser o de desenhar uma faixa de erro, frequentemente de +1 mm. Poucos erros publicados suportam o erro máximo, visto que muitos pontos estão fora da faixa de erro, embora, frequentemente, os textos sugiram que é o caso. Infelizmente, a quantidade de pontos de dados nos estudos de dutos, normalmente, é muito limitada para produzir estatísticas significativas.

Limitações físicas
À medida que o comprimento do defeito se aproxima do comprimento da onda (de 0,4 mm a 0,5 mm para ondas de cisalhamento de 7,5 MHz), a física se torna um problema para mostrar os defeitos em tubulações. (Os defeitos típicos da tubulação são da ordem de uma passagem de solda, ou seja, de 1 mm a 3 mm.) Existem duas abordagens para análise: analítica e numérica.
Analítica
As abordagens analíticas, normalmente usando trincas idealizadas, utilizam o teorema de Green, o teorema geral de difração, aproximações de Kirchoff e de Born[19]. Infelizmente, todas essas abordagens usam aproximações para tornar as equações solucionáveis, essas aproximações não são válidas quando o tamanho do defeito é semelhante ao comprimento da onda, como para os dutos. Deste modo, a teoria analítica não pode resolver este problema, embora, obviamente, o ultrassom, na prática, seja refletido a partir dos defeitos com d~λ.

Numérica
Dos vários métodos de avaliação numérica, o traçado de raios será essencialmente inútil com d~λ. Os métodos de Elemento Finito (FEM, sigla em inglês) e de Diferença Finita (FDM, idem) devem ser bem-sucedidos, embora ainda existam aproximações envolvidas. Infelizmente, tanto os métodos FEM quanto o FDM são muito demorados e caros[20] e existe pouca pesquisa realizada nessa área.

Tamanho do ponto do foco
Outra consideração importante é o tamanho do ponto do foco exequível, especialmente porque o tamanho mínimo do defeito mensurável pode ser limitado pelo tamanho do ponto do foco[6]. O tamanho teórico do ponto focal depende do tamanho da abertura, da frequência (isto é, do comprimento da onda) e da distância focal. Se assumirmos uma abertura de 16 mm, 7,5 MHz e distância focal de 20 mm na água (isto é, um foco muito curto), a meia largura de 6 dB se aproxima de 2 mm ou 1 mm. Isso sugere que os defeitos menores que +0,5 mm não podem ser medidos [20]. Isso se correlaciona com as precisões de dimensionamento atuais das técnicas como difração de fundo[13] e resultados laboratoriais otimizados[21].
Em contrapartida, há uma escola de pensamento sobre dutos que um ponto de foco muito pequeno é inadequado[4, 17], especialmente quando se usa abordagem de amplitude. No entanto, esses resultados indicam uma precisão de dimensionamento mais flexível em comparação com a discriminação de zonas e outras abordagens (veja abaixo). Existem também limitações significativas nas técnicas de amplitude, por exemplo, o defeito deve ser centrado no feixe e inferior a ele. A correlação entre a amplitude do sinal e o tamanho do defeito é muito fraca (veja a figura 4, por exemplo).

Figura 4: exemplo de dados de dutos comparando a amplitude e o tamanho do defeito medido[22].

Pesquisas de dimensionamento de dutos

Pesquisa da Battelle PNL
Em 1981, Battelle realizou uma detecção de gasoduto e dimensionou as evidências para NRC[23] usando sete equipes. Esse estudo investigou vários materiais de tipo nuclear, incluindo austeníticos revestidos com ferro, fundidos e forjados; também investigou defeitos reais e corrosão sob tensão. Enquanto a aplicação, os procedimentos e a tecnologia são datados e os materiais são diferentes, os resultados mostraram que o dimensionamento de defeitos de dutos era ruim, com grandes erros de dimensionamento.

Pesquisas da Universidade de Ghent

Em 1997, a Associação Internacional de Empreiteiros de Plataformas Marítimas e Dutos (IPLOCA, sigla em inglês) financiou um estudo de detecção e dimensionamento na Universidade de Ghent[4,24]. Embora a detecção tenha sido boa para os dois grupos de ultrassons automatizados, o dimensionamento (apenas um grupo) produziu um desvio padrão do dimensionamento de defeitos dentro de +1,5 mm a 2 mm para defeitos de trincas de superfície. Esse nível de precisão de dimensionamento foi posteriormente confirmado por projetos semelhantes de validação patrocinados de forma privada[24]. O trabalho realizado pela Universidade de Ghent também demonstrou que o erro de dimensionamento de defeitos encobertos pode ser bastante significativo.

Experimentos da Transco:

Recentemente, a Advantica analisou um estudo interno com financiamento da GTI com sete empresas de inspeção[25]. Aproximadamente noventa defeitos típicos foram implantados: porosidade, falta de fusão, trincas de cobre e defeitos transversais. Embora o principal objetivo do teste foi a detecção de defeitos (que foi boa), o tamanho do defeito não era expressivo; a variação de σ é de 1,1 mm a 1,8 mm[26]. Erros de até 6 mm foram encontrados, enquanto o ToFD só funcionou para defeitos maiores e encobertas.

Resultados da Shell
Kopp et al[27] publicaram um estudo interno incluindo o dimensionamento dos defeitos (veja figura 5). Esses são alguns dos dados mais abrangentes disponíveis e mostram que existe uma dispersão considerável dentro do intervalo de 1 mm do eyeball range, além de vários pontos discrepantes. Há pouco subdimensionamento também, como esperado. Esses resultados são típicos de dados de dutos, e é possível sobrepor vários estudos particulares neste gráfico. Os dados da Shell são uma coleção de vários programas, o que complica a análise. O artigo se refere a precisões de ±0,3 mm, o que torna impossível a se chegar a uma conclusão com os dados publicados. Essa precisão é baseada em uma porcentagem do tamanho da zona, o que não é suportado por nenhum estudo particular publicado ou conhecido. Além disso, ele ignora os problemas de tamanho de ponto de foco, correlação de amplitude-defeito e d~λ. O eyeball range de dados apresenta um intervalo típico de ±1 mm de precisão.

Estudo interno de Figura 5: Dimensionamento de defeitos por Kopp et al. [27]

Pesquisa da Saipem
Cataldo e Legori[28] publicaram um conjunto limitado de dados para validação da DNV que mostra boa correlação com o tamanho do defeito (veja figura 6). Tal como acontece com os resultados da Shell, há pouco subdimensionamento, embora, às vezes, ocorra superdimensionamento. Um eyeball range de ±1 mm provavelmente não estaria “fora da linha”. Os resultados da Saipem são facilmente sobrepostos aos resultados da Shell.

 

Uma das observações mais interessantes é a comparação dos sistemas multissondas convencionais e Phased Array AUT. Ao usar a mesma configuração (e nominalmente os mesmos blocos de calibração), as diferenças são insignificantes, conforme previsto pela física. Shell/Shaw [27] utilizou multissonda; Saipem, Phased Array. Duas outras comparações não mostram diferenças significativas de detecção usando as mesmas configurações.

 

Oceaneering OIS
A Oceaneering realizou uma qualificação DNV no início de 2003 que produziu um σ notavelmente inferior ao da Shell, Saipem ou outros — σ ~ 0,6 mm. Esse conjunto de dados continha principalmente paredes laterais (LoF), as paredes dos tubos eram um pouco mais finas do que as da Saipem. Os procedimentos reais de inspeção e dimensionamento não foram descritos no documento interno [30]. Os resultados são exibidos na figura 7



Figura 7: Comparação das alturas de defeitos medidos e atuais da Oceaneering.
Até o presente momento, não está claro por que os resultados da Oceaneering são significativamente melhores do que os outros. A Oceaneering usou ToFD extensivamente para minimizar o superdimensionamento significativo (como visto na figura 5), fora isso utilizou procedimentos padrões. O Phased Array oferece vantagens significativas para dimensionamento (feixes extras, foco controlado), e talvez a experiência com os sistemas faseados tenha ajudado no aprimoramento dos procedimentos.

 

Evidências do Edison Welding Institut

Com o patrocínio da GTI, a EWI conseguiu evidências com dois tubos que continham 24 defeitos LoF com várias empresas de inspeção [21]. Os resultados mostraram variação considerável entre as empresas de inspeção, mesmo quando usaram procedimentos nominalmente idênticos. Mais especificamente, no melhor dos casos, 45% dos defeitos foram dimensionados dentro de + 0,5 mm, a maioria dentro de +2 mm (veja tabela abaixo).
Assim como nos resultados da Advantica, somente metade dos defeitos do EWI poderiam ser analisados adequadamente com ToFD, porque os defeitos eram muito pequenos ou eram muito próximos à superfície.
Usando várias técnicas e investindo muito tempo, a EWI mediu defeitos com precisão de +0,6 mm (Categoria A6-open). A consequência é: quanto mais técnicas utilizadas e esforço empenhado, melhores são os resultados. Essa observação foi apoiada pelas evidências da PISC II para vasos pressurizados nucleares[7].

Acrônimos	Descrição da abordagem	Precisão da medição de altura, média de erro “a” em milímetros e porcentagem dos defeitos detectados
		a <± 0,5 mm	±0,5 mm > a <± 0,5 mm	±2,0 mm > a <±4.0 mm
A1	Multissonda focada, linearização da amplitude	35%	35%	30%
A2	Multissonda focada, algoritmo de dimensionamento exclusivo	45%	45%	10%
A3	Multissonda não focada, zona e amplitude Regras	30%	45%	25%
A4	Phased Array focado, 48 elementos, linearização da amplitude	40%	20%	40%
A5	Phased Array focado, 64 elementos, linearização da amplitude	15%	35%	50%
A6	Phased Array focado, 64 elementos, rastreamento setorial	25%	25%	50%
A6 open	Phased Array focado, 32 elementos, raster e setorial	75%	25%	n/a

Tabela 1: EWI tabela 2, “Precisão de dimensionamento conseguida”

 

Det Norske Veritas
As pesquisas da DNV sobre o dimensionamento de defeitos usando um conjunto de dados baseado na amplitude e ToFD apresentaram σ atipicamente baixo[22]. O subdimensionamento foi mínimo e o erro sistemático foi pequeno nos dois casos, de aproximadamente 0,1 mm, como em outros estudos. O desvio padrão foi de ±0,41 para um conjunto de dados e de ±0,62 para o outro. Esses resultados mostraram um erro significativamente menor do que a maioria, aproximadamente um terço de outros valores, embora sejam comparáveis aos resultados da Oceaneering. Entretanto, a Oceaneering usou apenas 88 pontos, enquanto a DNV, 204.

A figura 8 é uma aglomeração de vários estudos, não há detalhes disponíveis, portanto, tirar conclusões sobre técnicas e procedimentos não é fácil. Essa diferença pode existir por causa da análise, do processo ou do tratamento estatístico. O outro σ baixo obtido nos resultados laboratoriais do EWI acima é devido às múltiplas técnicas e ao tempo e esforço investido [21]. Pode-se esperar melhores resultados em inspeções mais detalhadas[6]. Talvez o resultado mais impressionante seja o da Oceaneering que utilizou equipamentos padrões[30].



Figura 8: resultados de dimensionamento da DNV [22]
 

Dados da R/D Tech
A R/D Tech é proprietária de alguns dados que podem ser sobrepostos às figuras 5 a 8 sem distorção significativa. As características são semelhantes: alguma dispersão (dentro do eyeball range de ±1 mm), subdimensionamento limitado e superdimensionamento significativo, baixo erro de dimensionamento. Na prática, a análise da RMS da precisão do dimensionamento com abordagem da ASME foi de ±1,1 mm a 1,7 mm, dependendo do conjunto de dados usados (zonas ASTM, zonas modificadas, ToFD e combinações). Técnicas combinadas apresentaram resultados melhores do que as zonas simples (σ menor). Esse conjunto de dados também mostrou que o ToFD para dutos era limitado e, normalmente, apenas metade dos tamanhos dos defeitos podia ser medida diretamente pelo ToFD padrão.

Discussão

Na prática, com exceção dos resultados da Oceaneering e da EWI, os dados disponíveis parecem ser razoavelmente consistentes, com o RMS e σ normalmente acima de 1 mm. Boa parte dos dados pode ser sobreposta sem grande distorção, sugerindo que a principal questão são os limites tecnológicos, e não a experiência ou o equipamento do operador. O erro principal normalmente está bem abaixo de 1 mm, com subdimensionamento limitado. Neste momento, a maioria das evidências sugere que uma precisão superior a σ ±1 mm não é realista. O conjunto de dados de propriedade da R/D Tech sugere que um “eyeball range” de ±1 mm é realmente um RMS ou desvio padrão de <±1 mm. Porém, os dados não são completamente comparáveis, visto que as condições dos testes variam, os procedimentos de ultrassom automatizado não são idênticos, o corte é diferente, etc. Geralmente, o erro médio de dimensionamento é pequeno, normalmente próximo de 0 mm.

O potencial das técnicas de difração é muito maior do que as técnicas de amplitude, embora o ToFD, particularmente, possui limitações em relação a defeitos menores (e de superfície próxima). Basear-se somente em técnicas de amplitude, geralmente, limita a precisão do dimensionamento do diâmetro do ponto focal (~2 mm ou eyeball range de ±1 mm, como descoberto nos estudos recentes), com aberrações frequentes. Subdividir as amplitudes não melhora muito os valores de σ. O subdimensionamento não costuma ser um grande problema. Em princípio, o ToFD deve minimizar a quantidade de overcalls brutos.

As exigências atuais de precisão de ±0,3 mm para dimensionamento de defeitos em usinas (uma outra terminologia indefinida) parecem irrealistas segundo os dados publicados. Não há evidências de que os resultados não publicados (ou privados) apresentem qualquer melhora significativa. Em materiais nucleares com geometria λ pequena e perfeita, conseguiu-se precisão de ±0,1 mm[32]. Contudo, a utilização dessas frequências em aços ferríticos é impossível pois são mais limitados microestruturalmente. Embora algumas pesquisas tenham sido feitas sobre as limitações do ultrassom em aços[33], é preciso realizar outras mais específicas para materiais de dutos e condições de AUT.

Da perspectiva do “Fitness-For-Service”, a melhor solução com a tecnologia atual é adicionar de ±1 mm a ±1,5 mm a todas as estimativas de dimensionamento para o conservantismo; a princípio isso cobre qualquer subdimensionamento. Para defeitos maiores, a melhor solução é usar mais de uma técnica para evitar o superdimensionamento bruto (5 mm ou mais) que pode ocorrer[22]; normalmente, utiliza-se discriminação de zona, ToFD, difração de fundo e vários ângulos[6] quando o tempo permite (especialmente para elevações e tendões).
Infelizmente, as inspeções em serviço, provavelmente, são significativamente piores que as evidências fornecidas pelos laboratórios. A boa notícia é que os resultados mais recentes (Oceaneering e EWI) são visivelmente melhores que os resultados anteriores (Shell e Advantica).

Felizmente, existem vários trabalhos em andamento para aprimorar e descobrir técnicas alternativas de dimensionamento. A R/D Tech está trabalhando em várias áreas frutíferas:
1. Difração de fundo[13]: Esta técnica tem potencial para medir defeitos de até ±0,5 mm, embora não seja comprovada por testes. Os principais problemas são a identificação correta do sinal e a resolução do tempo do anel.
2. Processamento de sinal de ToFD[34]: Esta técnica decompõe os sinais de ToFD para permitir o dimensionamento de defeitos menores. Os resultados iniciais são encorajadores, mas, como todas as técnicas de DSP, existe a possibilidade de falha no disparo.
3. Focalização aprimorada[35]: Uma quantidade maior de elementos e matrizes devem diminuir o tamanho do ponto focal e proporcionar maior precisão no dimensionamento.
Há, sem dúvida, outras pesquisas em andamento em outras partes do mundo.

Conclusões

1. O dimensionamento de defeitos em dutos com ultrassom automatizado está se tornando cada vez mais importante com a utilização da “Fitness-For-Service”, especialmente para a elevação de plataformas marítimas e tendões.
2. Geralmente, o ToFD apresenta dimensionamento mais preciso que os métodos de amplitude, embora tenha limitações severas de detecção de pequenos defeitos e em superfície próxima.
3. Os poucos estudos disponíveis mostram resultados bastante consistentes, apesar das diferenças de procedimento. Com uma ou duas exceções, há um intervalo consistente de precisões, embora um melhor conhecimento dos processos possa explicar algumas delas.
4. Os estudos mostram uma tendência consistente em relação ao superdimensionamento, sem subdimensionamento, o que é compreensível para pequenos defeitos.
5. A indústria de dutos não utiliza análise de dados e terminologia rigorosa, como ocorre na indústria nuclear, de modo que as precisões citadas são frequentemente indefinidas como um eyeball range, desvio padrão, RMS, aproximação ou o que quer que seja.
6. O erro médio de dimensionamento é pequeno, normalmente bem abaixo de 1 mm, com erro randômico de dimensionamento.
7. A maioria dos estudos mostra erros de dimensionamento dentro do eyeball range de ±1 mm ou mais; o σ varia até ±2 mm, com várias aberrações, dependendo dos defeitos, condições, etc.
8. Não existe nenhuma evidência publicada que demonstre que é possível obter precisão superior a ±0,3 mm atualmente.
9. Felizmente, há várias técnicas aprimoradas na pauta, que devem melhorar significativamente na realização do dimensionamento.

Agradecimentos

Ao Sr. Ed Ginzel, do Instituto de Pesquisa de Materiais, em Waterloo, Ontário, que deu conselhos importantes e valiosa assistência. À Oceaneering OIS por ter fornecido aos dados exclusivos submetidos à DNV.

Referências