Comunicações

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Comunicações

Esta publicação contém as comunicações apresentadas na 3ª Conferência Nacional em Ensaios
Não Destrutivos, realizada no EMFA, de 15 a 16 de dezembro de 2014.
Expositores
Patrocinadores
Apoio
Índice
MENSAGENS ...........................................................................................................................................................1
ORGANIZAÇÃO .......................................................................................................................................................7
PLANTA DE ESPAÇO DE EXPOSIÇÃO ..............................................................................................................11
PROGRAMA ...........................................................................................................................................................15
ORADORES ...........................................................................................................................................................23
SESSÃO TÉCNICA I
STI.1
EVOLUTION OF THE ULTRASONIC INSPECTION REQUIREMENTS OF HEAVY ROTOR FORGINGS OVER THE PAST
DECADES ............................................................................................................................................................................37
STI.2
DETEÇÃO DE DESCONTINUIDADES EM SOLDADURA DE CHANFRO APERTADO EM AÇO AUSTENÍTICO
RECORRENDO A CONVERSÃO DE MODO NA TECNOLOGIA PHASED ARRAY DE ULTRASSONS ............................50
STI.3
SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DE CONDICIONES AVANZADO PARA EL ASEGURAMIENTO DE LAS PARTES
ROTATORIAS DE TURBINAS AEROGENERADORAS ......................................................................................................52
STI.4
INVESTIGAÇÃO E DESENVOLVIMENTO EM ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS: O CASO DA FCT-UNL ..........................65
STI.5
DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIAS E CAPACIDADES PARA A INSPECÇÃO DE ESTRUTURAS COMPÓSITAS
AERONÁUTICAS .................................................................................................................................................................68
SESSÃO TÉCNICA II
STII.1 DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS AVANÇADOS PARA INSPECÇÃO DAS TORRES EÓLICAS E ELEMENTOS DE
LIGAÇÃO DAS PÁS AO ROTOR .........................................................................................................................................73
STII.2 PRINCÍPIO TECNOLÓGICO DO ENSAIO E O VALOR ACRESCENTADO Á INSPECÇÃO PELA UTILIZAÇÃO DA
TÉCNICA DE EMISSÃO ACÚSTICA (EA) ...........................................................................................................................75
STII.3 INOVAÇÃO BUREAU VERITAS ATRAVÉS DO SISTEMA SHAFTEST®, NA MANUTENÇÃO INDUSTRIAL ....................76
STII.4 DESENVOLVIMENTOS EM REFLECTOMETRIA DE PULSO ACÚSTICO (RPA) PARA A INSPEÇÃO NÃO INVASIVA DE
FEIXES TUBULARES ..........................................................................................................................................................78
STII.5 VALUE CREATING NDT METHODOLOGY FOR ACCESSING CORROSION UNDER INSULATION ...............................95
STII.6 DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED INSPECTION SYSTEM FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS ............. 100
SESSÃO TÉCNICA III
STIII.1 EDDY CURRENT EVALUATION OF FATIGUE CRACK DEPTHS IN PLANAR METALLIC NON-FERROMAGNETIC
MATERIALS ....................................................................................................................................................................... 105
STIII.2 USING A MOUSE AS A POSITIONING DEVICE IN AN HANDHELD DETECTOR OF SUB-SURFACE CRACKS ........... 108
STIII.3 CONCEÇÃO, SIMULAÇÃO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE SONDAS DE CORRENTES INDUZIDAS PARA
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS DE GEOMETRIAS TUBULARES ................................................................................... 111
STIII.4 NOVA TÉCNICA DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS BASEADA EM CÉLULAS BACTERIANAS ................................... 113
STIII.5 METODOLOGIA PARA VALIDAÇÃO DA EXPERIÊNCIA DOS TÉCNICOS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS QUE
TRABALHEM NOS SETORES AERONÁUTICO E INDUSTRIAL ...................................................................................... 116
SESSÃO TÉCNICA IV
STIV.1 ESTUDO DA ADEQUABILIDADE DE TÉCNICAS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA IDENTIFICAR DEFEITOS
INTERNOS E EXTERNOS EM ESTRUTURAS COMPLEXAS DE MATERIAIS COMPÓSITOS DE COMPONENTES
AERONÁUTICOS E AEROESPACIAIS ............................................................................................................................. 133
STIV.2 OVERVIEW OF NDT CASE STUDIES FOR MATERIAL FAILURE INVESTIGATIONS AND SERVICE LIFE
SUSTAINMENT OF AIRCRAFTS IN THE PORTUGUESE AIR FORCE ........................................................................... 156
STIV.3 ESTADO ATUAL DO DESENVOLVIMENTO DO CENTRO DE FORMAÇÃO PARA ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS NO
SETOR AERONÁUTICO NACIONAL ................................................................................................................................ 178
STIV.4 CERTIFICACION AEROESPACIAL EN ESPAÑA. EVOLUCION: PASADO, ESTADO ACTUAL Y FUTURE ................... 187
SESSÃO TÉCNICA V
STV.1 IDENTIFICAÇÃO DO DANO EM LAMINADOS COMPÓSITO ATRAVÉS DA COMBINAÇÃO DE DIFERENTES TÉCNICAS
........................................................................................................................................................................................... 191
STV.2 AS TÉCNICAS ÓPTICAS E OS NOVOS CONCEITOS NA MONITORIZAÇÃO DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL........ 205
STV.3 BIODIESEL PROPERTIES CHARACTERIZATION BY ULTRASOUND SPEED .............................................................. 208
STV.4 ULTRASONIC ATTENUATION MEASUREMENTS IN CAST IRON .................................................................................. 211
STV.5 NON-INVASIVE LENS HARDNESS CHARACTERIZATION BY ULTRASOUND TECHNIQUES ..................................... 214
STV.6 ADVANCED PHASED ARRAY TECHNOLOGIES ............................................................................................................. 216
POSTERS
MEDIÇÃO DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA SEM DANIFICAÇÃO DE AMOSTRAS .................................................................... 227
CONSIDERAÇÃO DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS EM PAVIMENTOS DE INFRAESTRUTURAS DE TRANSPORTE ......... 229
MENSAGENS
3ª Conferência Nacional em Ensaios Não Destrutivos
15 e 16 de dezembro de 2014
Mensagem de Boas Vindas
Caros Participantes,
A RELACRE, Associação de Laboratórios Acreditados de Portugal, na sua missão de promover a
atividade laboratorial e as entidades que a desenvolvem nos mais diversos contextos, tem
procurado apoiar e dinamizar a atividade económica associada à realização de ensaios não
destrutivos, designadamente, na importante função de qualificação técnica e certificação de
recursos humanos.
A crescente importância para a economia nacional do Setor onde os END são fundamentais,
devido à criação de novas atividades no País e à internacionalização de muitas entidades
nacionais, reflete-se na necessidade de difusão e consolidação de conhecimento e do
fortalecimento de canais de comunicação entre agentes económicos e partes interessadas neste
domínio, o que se consegue mediante a organização de eventos técnico-científicos como o
presente evento.
A RELACRE, entendendo a relevância deste processo para a Comunidade que atua neste
âmbito, apoiou esta iniciativa desde a sua génese, orientada pelo Forum END (entidade inserida
na orgânica da RELACRE), contando com o imprescindível apoio de diversas entidades
associadas.
Uma palavra de particular apreço pela disponibilidade, envolvimento e significativo apoio do
Estado Maior da Força Aérea, do Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos
(CANEND) e da OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal, cuja contribuição para a
concretização do presente evento foi decisiva.
Espero que deste evento resulte uma elevada partilha de conhecimento, que seja a oportunidade
para se promoverem interações úteis e comunicação enriquecedora entre os participantes nos
contextos técnicos e científicos, e que se atinjam os objetivos de qualidade e excelência que
contribuem para aumentar as competências e capacidades do Setor de END em Portugal.
Álvaro Ribeiro
Presidente da RELACRE
1
Caros Participantes e Colegas,
O FSEND, fundado em 2008, pretende contribuir para o desenvolvimento e progresso técnico
científico na área dos Ensaios Não Destrutivos.
Entre as atividades do FSEND, uma das mais importantes é a organização de Conferências, de
âmbito nacional, tendo organizado a primeira em 2009, no ISQ (Oeiras) e a segunda em 2011, na
Faculdade de Engenharia do Porto (Porto).
Esta 3ª Conferência em END apresenta algumas características que a diferenciam das duas
anteriores:
1. Dois dias de duração em vez de um, permitindo um maior número de participantes,
apresentações e expositores;
2. Jantar da Conferência, permitindo estreitar laços entre os diversos membros da
comunidade dos END.
3. Integração do Setor Aeroespacial;
4. Uma visita técnica, permitindo aos participantes visualizar aplicações práticas de END.
Agradeço à Força Aérea Portuguesa a valiosa colaboração, empenho e disponibilidade,
manifestadas desde o primeiro momento, bem como, pelas magníficas instalações colocadas à
disposição da organização deste evento.
Agradeço à CANEND e à OGMA, a importante colaboração prestada em todas as áreas onde foi
solicitada.
De destacar a participação de várias entidades, a nível internacional, com grande relevância
nesta área, nomeadamente:
Mr. Mike Farley, Presidente do ICNDT – “The International Committee for NDT”;
Mr. Péter Trampus, Vice-Presidente da EFNDT – “European Federation for NDT”;
Sr. Antonio Aulicino, Gerente de Relações Institucionais da ABENDI – Associação Brasileira de
END;
Sr. Fermín Goméz Fraile, Presidente da AEND – Associação Espanhola de END;
Sr. Emilio Romero Ros, Vice-Presidente da AEND – Associação Espanhola de END;
Sr. Rodolfo Rodríguez Juárez, Diretor Técnico da AEND – Associação Espanhola de END.
Aproveito este momento para anunciar um dos principais desafios do FSEND para os próximos
anos, coordenar o Working Group 4 (Accreditation of Laboratories and Inspection Bodies) da
EFNDT, cujo objetivo é reunir, harmonizar e representar os interesses das empresas de serviços
acreditadas.
Espero que a Conferência seja um sucesso e uma experiencia enriquecedora em termos de
contactos com novos métodos, técnicas e aplicações na área dos END.
Bento Ottone da Cruz Alves
Presidente do FSEND - RELACRE
2
3rd Portuguese National Conference on NDT
I am delighted to bring the good wishes of ICNDT to the Portuguese NDT community on the
occasion of the 3rd Portuguese National Conference on NDT.
FSEND is a full member of ICNDT and a valued participant in our meetings, including our recent
General Assembly in Prague during the 11th ECNDT. Our meetings there marked the half-way
point in the mandate of the current ICNDT Executive which runs 2012 to 2016 and we discussed
our achievements to date and our Strategic Plan for the next two years. I look forward to
presenting to your conference a review of the work of ICNDT, our recent achievements and our
forward plans. I also hope to hear your ideas for our future actions.
It is a pleasure to greet those present at the conference in this beautiful city of Lisbon and wish
you a successful event in the tradition of our many national, Regional and World conferences.
Chairman, ICNDT
3
MESSAGE TO THE PORTUGUESE NDT COMMUNITY
Subject:
3rd NDT Portuguese National Conference, Amadora, Portugal, 15-16 December, 2014
It is not widely known that nondestructive testing (NDT) is a crucial everyday activity in almost all
industries. Hundreds of thousands of such tests are performed each year, on aircraft and trains,
on dams and bridges, in power plants and refineries and on automobile parts, and so on. NDT
enables industries to prevent accidents by detecting and characterizing flaws during the
manufacture or use of their products and plants.
During construction, NDT is used to ensure the quality of materials / components and joining
processes such as welding during the fabrication and erection phases, and in-service NDT are
used to ensure that the components / equipment in use continue to have the integrity necessary to
ensure their fitness for service and, in general, the safety of the overall public.
EFNDT was founded as a Europe-wide partnership to promote NDT and related fields for the
benefit of industry, the professions, users and the wider community. EFNDT brings together the
resources of the national NDT societies and organizations involved in NDT and related topics in
Europe, and is dedicated to public safety in our technological world.
On behalf of the European Federation for NDT I wish all participants and organizers of the 3rd NDT
Portuguese National Conference every success, an interesting technical program and many
pleasant meetings and good conversations among colleagues.
Best regards
Prof. Peter Trampus
EFNDT Vice President
4
ORGANIZAÇÃO
Comissão Organizadora
Acácio Lima
(A. Jorge Lima, Lda.)
Ana Duarte
(RELACRE)
Bento Alves
(ISQ)
Cláudia Almeida
(RELACRE)
Diogo Duarte
(Força Aérea Portuguesa)
Jaime Santos
(Universidade de Coimbra (DEEC/FCTUC))
Luís Vieira Gomes
(Instituto Superior de Engenharia de Lisboa)
Patrícia Pereira
(Força Aérea Portuguesa)
Pedro Capelinha
(Bureau Veritas Rinave)
Comissão Científica
Jaime Santos
(Universidade de Coimbra (DEEC/FCTUC))
Luís Vieira Gomes
(Instituto Superior de Engenharia de Lisboa)
Telmo Santos
(Faculdade de Ciências e Tecnologia – UNL)
7
PLANTA DO ESPAÇO DE EXPOSIÇÃO
1
RELACRE
2
PARALAB
3
A. JORGE LIMA
4
FORÇA AÉREA PORTUGUESA
5
END
6
BTINSTRUMENTS
7
IZASA
8
WELDNDT
9
ISQ
10
ISQ
11
OLYMPUS
12
GE
13
TUV
11
PROGRAMA
15 dezembro
09h00 – 10h00
Receção e Registo
10h00 – 10h15
Sessão de Abertura
(EMFA; RELACRE; FSEND)
10h15 – 11h00
Sessão Plenária
Moderador: Bento Alves (FSEND + ISQ)
SP.1
CHALLENGES IN NDT AND THE ROLE OF ICNDT
Mike Farley (Chairman ICNDT)
SP.2
THE EUROPEAN FEDERATION FOR NDT – A STRONG VOICE FOR THE NDT
PROFESSION
Péter Trampus (Vice-President, EFNDT)
11h00 – 11h30
Coffee-break
11h30 – 13h00
Sessão Técnica I
Moderador: Acácio Lima (AJL)
STI.1
EVOLUTION OF THE ULTRASONIC INSPECTION REQUIREMENTS OF HEAVY
ROTOR FORGINGS OVER THE PAST DECADES
Johannes Vrana (SIEMENS)
STI.2
DETEÇÃO DE DESCONTINUIDADES EM SOLDADURA DE CHANFRO
APERTADO EM AÇO AUSTENÍTICO RECORRENDO A CONVERSÃO DE MODO
NA TECNOLOGIA PHASED ARRAY DE ULTRASSONS
António Sá Nogueira, Luísa Quintino, Pedro Barros (ISQ + IST)
STI.3
SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DE CONDICIONES AVANZADO PARA EL
ASEGURAMIENTO DE LAS PARTES ROTATORIAS DE TURBINAS
AEROGENERADORAS
R. Rodríguez, Fermín Gómez, Jesus Antonio Jimenez, Slim Soua, Estefanía Artigao,
Lars Schubert (AEND)
STI.4
INVESTIGAÇÃO E DESENVOLVIMENTO EM ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS: O
CASO DA FCT-UNL
Telmo Santos, Pamies Teixeira, Rosa Miranda (FCT-UNL)
STI.5
DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIAS E CAPACIDADES PARA A INSPECÇÃO
DE ESTRUTURAS COMPÓSITAS AERONÁUTICAS
Nuno Pedrosa, Daniel Leitão, José Pedro Sousa, Liliana Silva (ISQ)
13h00 – 14h00
Almoço
15
14h00 – 16h00
Sessão Técnica II
Moderador: José Ferreira (CANEND)
STII.1 DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS AVANÇADOS PARA INSPECÇÃO DAS
TORRES EÓLICAS E ELEMENTOS DE LIGAÇÃO DAS PÁS AO ROTOR
Liliana Silva, Daniel Leitão, Nuno Pedrosa, José Pedro Sousa (ISQ)
STII.2 PRINCÍPIO TECNOLÓGICO DO ENSAIO E O VALOR ACRESCENTADO Á
INSPECÇÃO PELA UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE EMISSÃO ACÚSTICA (EA)
Rui Mendes (ISQ)
STII.3 INOVAÇÃO BUREAU VERITAS ATRAVÉS DO SISTEMA SHAFTEST®, NA
MANUTENÇÃO INDUSTRIAL
Pedro Capelinha, Jordi Romeu, Pedro Oliveira, Guy Cotreril (Bureau Veritas)
STII.4 DESENVOLVIMENTOS EM REFLECTOMETRIA DE PULSO ACÚSTICO (RPA)
PARA A INSPEÇÃO NÃO INVASIVA DE FEIXES TUBULARES
Acácio Lima e Daniel Bobrow (AJL + AEYE)
STII.5 VALUE CREATING NDT METHODOLOGY FOR ACCESSING CORROSION
UNDER INSULATION
Sérgio Ferreira Dias, César Buque (TÜV Rheinland)
STII.6 DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED INSPECTION SYSTEM FOR HIGH
TEMPERATURE APPLICATIONS
Nuno Pedrosa, Daniel Leitão, José Pedro Sousa, Gonçalo Silva (ISQ)
16h00 – 16h20
Coffee-break
16
16h20 – 17h30
Sessão Técnica III
Moderador: Jaime Santos (DEEC-UC)
STIII.1 EDDY CURRENT EVALUATION OF FATIGUE CRACK DEPTHS IN PLANAR
METALLIC NON-FERROMAGNETIC MATERIALS
Artur Lopes Ribeiro, Helena Geirinhas Ramos, Dário Jerónimo Pasadas and Tiago
Jorge Rocha (IST)
STIII.2 USING A MOUSE AS A POSITIONING DEVICE IN AN HANDHELD DETECTOR OF
SUB-SURFACE CRACKS
Helena Geirinhas Ramos, Tiago Rocha, Dário Pasadas, Artur L. Ribeiro (Inst.
Telecomunicações + IST)
STIII.3 CONCEÇÃO, SIMULAÇÃO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE SONDAS DE
CORRENTES INDUZIDAS PARA ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS DE
GEOMETRIAS TUBULARES
Miguel Machado, Rosa Miranda, Nuno Pedrosa, Luís Rosado, Telmo Santos (FCTUNL + ISQ)
STIII.4 NOVA TÉCNICA DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS BASEADA EM CÉLULAS
BACTERIANAS
Telmo G. Santos, Patrick Inácio, Alexandre Costa, R. M. Miranda, Luísa Quintino,
Pedro Vilaça, M.T.F Vieira, A.P.Piedade, A.R. Farinha, Carla C.C.R. de Carvalho
(FCT-UNL + Aalto University + CEMUC + IST)
STIII.5 METODOLOGIA PARA VALIDAÇÃO DA EXPERIÊNCIA DOS TÉCNICOS DE
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS QUE TRABALHEM NOS SETORES
AERONÁUTICO E INDUSTRIAL
Diogo Duarte, Sérgio Nascimento, José Ferreira (CANEND)
17h30
Sessão de apresentação de posters + Feira de Tecnologia
19h30
Jantar da Conferência – Cervejaria Trindade (Chiado)
17
16 dezembro
09h30 – 09h50
Sessão Plenária
Moderador: Pedro Capelinha (Bureau Veritas)
SP.3
ABENDI: QUALIFICAÇÃO, CERTIFICAÇÃO, NORMALIZAÇÃO E PROMOÇÃO
DOS ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS E INSPEÇÃO NO BRASIL
Antônio Luís Aulicino (ABENDI)
09h50 – 11h00
Sessão Técnica IV
Moderador: Telmo Santos (FCT-UNL)
STIV.1
ESTUDO DA ADEQUABILIDADE DE TÉCNICAS DE ENSAIOS NÃO
DESTRUTIVOS PARA IDENTIFICAR DEFEITOS INTERNOS E EXTERNOS EM
ESTRUTURAS
COMPLEXAS
DE
MATERIAIS
COMPÓSITOS
DE
COMPONENTES AERONÁUTICOS E AEROESPACIAIS
Patrícia Pereira, Diogo Duarte, Virgínia Infante (DEP - Força Aérea + ICEMS – IST)
STIV.2
OVERVIEW OF NDT CASE STUDIES FOR MATERIAL FAILURE
INVESTIGATIONS AND SERVICE LIFE SUSTAINMENT OF AIRCRAFTS IN THE
PORTUGUESE AIR FORCE
Diogo Duarte, Bruno Serrano (Força Aérea)
STIV.3
ESTADO ATUAL DO DESENVOLVIMENTO DO CENTRO DE FORMAÇÃO PARA
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS NO SETOR AERONÁUTICO NACIONAL
Rui Simões; Diogo Duarte; Bruno Serrano; Patrícia Pereira (Força Aérea
Portuguesa - Direção de Engenharia e Programas)
STIV.4
CERTIFICACION AEROESPACIAL EN ESPAÑA. EVOLUCION: PASADO,
ESTADO ACTUAL Y FUTURE
Fermín Gómez Fraile (AEND)
11h00 – 11h20
Coffee-break
18
11h20 – 13h00
Sessão Técnica V
Moderador: Vieira Gomes (ISEL)
STV.1
IDENTIFICAÇÃO DO DANO EM LAMINADOS COMPÓSITO ATRAVÉS DA
COMBINAÇÃO DE DIFERENTES TÉCNICAS
Ricardo de Medeiros, Hernani M.R. Lopes, Rui M. Guedes, Mário A.P. Vaz,
Volnei Tita (EESC-USP + ISEP + FEUP)
STV.2
AS TÉCNICAS ÓPTICAS E OS NOVOS CONCEITOS NA MONITORIZAÇÃO
DA INTEGRIDADE ESTRUTURAL
Jaime Monteiro, Mário Vaz, Hernani Lopes (INEGI + FEUP + ISEP)
STV.3
BIODIESEL PROPERTIES CHARACTERIZATION BY ULTRASOUND
SPEED
Jaime B. Santos, Maria del Carmen Talavera-Prieto, Abel G.M. Ferreira, Mario
J. Santos (DEEC-UC)
STV.4
ULTRASONIC ATTENUATION MEASUREMENTS IN CAST IRON
Mário Santos e Jaime Santos (DEEC-UC)
STV.5
NON-INVASIVE
LENS
HARDNESS
CHARACTERIZATION
ULTRASOUND TECHNIQUES
Miguel Caixinha, Jaime Santos, Mário Santos (DEEC-UC)
STV.6
ADVANCED PHASED ARRAY TECHNOLOGIES
Werner Roye (Karl Deutsch Pruef)
13h00 – 14h00
15h00
Almoço
Visita Técnica – OGMA
19
BY
ORADORES
SP.1
Mike Farley BSc, PhD, CPhys, FEI, FInstNDT, Hon Member ICNDT
Dr Mike Farley was elected Chairman of the International Committee of NDT
(ICNDT) in 2008 and re-elected for the period 2012-2016. He was previously
General Secretary of ICNDT and President of the European Federation of
NDT 2005-2008. He served 1989-1990 as President of the British Institute of
NDT.
As Chairman of ICNDT Dr Farley has played a central role in moving the
organisation forward to its current status as a not-for-profit organisation with
members in more than 60 countries. He has lead the strategic planning of ICNDT’s activities.
He recently retired from the post of Director of Technology Policy Liaison with Doosan Power
Systems (formerly Doosan Babcock) in which role he was responsible for government relations in
areas of energy policy, R+D foresighting and technology innovation.
Previously as Director of Technology & Licensing at Doosan Babcock, he planned the company’s
R+D activities including collaborative projects (EU and DTI) in the areas of clean coal, emissions
control, structural integrity, materials, inspection and NDT.
He was responsible for the company’s technology-led business including nuclear power plant
inspection, offshore vibration services, large component testing and power plant feasibility studies.
He is a regular speaker on the importance of NDT and the need for reliability in NDT.
SP.2
Peter Trampus
Mechanical Engineer, Research Professor. 30 years nuclear experience in
both domestic and international range. Major field of activity is safety and
reliability of nuclear power plant components with a special focus on nondestructive evaluation. President of the Hungarian Association for NDT, and
Vice-President of the European Federation for NDT.
SP.3
Antonio Luís Aulicino
Engenheiro de Produção - Mecânico com especialização em Marketing,
graduado pela FEI – Faculdade de Engenharia Industrial.
Atuou por mais de 23 anos nos segmentos Alimentício, Químico, Petroquímico
como Gerente e Diretor de Unidade de Negócios para Brasil e América do Sul
em empresas como National Starch Starch & Chemical e Dow Chemical.
Atualmente ocupa o cargo de Gerente de Relações Institucionais da ABENDI.
23
STI.1
Dr. Johannes L. Vrana
Munich, Germany
PROFILE
•
•
Physicist (TU Munich)
•
ASNT NDE Level III
•
PhD thesis introducing induction thermography
•
Expert in automated UT and PA
•
Member: DPG, DGZfP & ASNT
Director: ASNT German Section
EXPERIENCE
Siemens Energy, Supply Management, Munich & Berlin, Germany
NDE Team Lead
since 2010
Siemens Energy, Gas Turbine Engineering, Orlando, FL, USA
NDE Engineer
2008 – 2009
Siemens, Corporate Technology, Munich, Germany
PhD Student & Research Scientist
2004 – 2008
Ludwig-Maximilians-University, Munich, Germany
Graduate Student in Quantum Optics Group of Prof. Hänsch
2003 – 2004
STI.2
António Francisco F. S. Sá Nogueira
EXPERIÊNCIA PROFISSIONAL
06/2009 Grant Thornton & Associados – SROC, Lda. - Auditor Júnior
09/2008 - 04/2009 IAPMEI - Consultor Júnior
06/2012 - 02/2013 ISQ - Técnico Especialista em Técnicas Avançadas de END
12/2013 - ISQ - Investigador Júnior em Técnicas Avançadas de END
FORMAÇÃO ACADÉMICA E PROFISSIONAL
Mestrado em Engenharia de Materiais, IST, UL
FORMAÇÃO ESPECIALIZADA
09/2012 UT por TOFD, ISQ
12/2013 Módulo UT do Software CIVA, Extende
02/2014 Passaporte de segurança, ISQ
24
STI.3
Rodolfo Rodríguez Juárez
Nivel 3 en UT, RT, MT, y PT
Tiene dilatada experiencia en END habiendo trabajado en diferentes
compañías, trabajando en inspección, investigación, formación. Ha impartido
cursos de formación durante 9 años
Se incorpora a la AEND en 1999, siendo actualmente Director técnico de la
AEND y Director de CERTIAEND
Ha publicado en diferentes revistas y congresos y participa en diferentes grupos de trabajo de
normalización, dela EFNDT y del ICNDT, así como participa en diferentes proyectos
internacionales.
STI.4
Telmo G. Santos
Professor Auxiliar no Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial da
Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCTUNL). Tem desenvolvido a sua atividade de investigação no centro de
investigação UNIDEMI na área dos END e da tecnologia mecânica. É
coordenador de vários projetos nacionais e internacionais de investigação
científica e de transferência de tecnologia e autor de cerca de 50 publicações
internacionais.
STI.5
Pedro Barros, especialista sénior na área END.
Pedro Barros é engenheiro mecânico com substancial experiência em diversas tecnologias END,
e certificado ao nível 3 segundo a ISO 9712 nos ensaios de radiografia industrial, correntes
induzidas, e ultrasons. Esteve envolvido em numerosos projectos de colaboração industrial
suportado pelo governo e pela EU e já publicou vários artigos técnicos em, publicações, revistas
técnicas e conferências.
25
STII.1
Liliana Silva, investigadora do departamento de técnicas avançadas de Controlo não Destrutivo
do ISQ, tem elevada experiência no desenvolvimento de sistemas de inspecção recorrendo às
técnicas avançadas de Phased Array e TOFD. Tem colaborado em projectos Nacionais e
Europeus relacionados com aplicação de técnicas avançadas de inspecção ao sector das
energias renováveis e desenvolvimento de sistemas de inspecção aplicados à indústria
aeronáutica. Tem ainda uma elevada experiência na aplicação de ensaios avançados na indústria
petroquímica e de produção de energia.
STII.2
Rui João de Sousa Mendes
Mestrado em Instrumentação, Manutenção Industrial e Qualidade
Licenciatura em Engenharia Mecânica / Manutenção
Pós Graduação em Engenharia da Soldadura
É atualmente o Responsável do Sector OI/ESP e Responsável Técnico do
LABVOLUME no ISQ, com as seguintes responsabildades:
Coordenação técnica do Organismo de Inspeção na área dos equipamentos
sob pressão. Inspeção do fabrico, reparação e instalação de equipamentos
sob pressão (geradores de vapor, reservatórios para ar comprimido, equipamentos de frio e gás,
redes de fluidos entre outros).
Responsável Técnico da atividade do Laboratório de verificação metrológica de reservatórios de
armazenamento, níveis automáticos e cisternas transportáveis.
Responsável Técnico da atividade de Emissão Acústica em ESP e Tanques de Armazenagem.
STII.3
Pedro Alexandre Carretas de Sousa Capelinha
Licenciatura em Engª Mecânica, no Ramo de Automação e Robótica - IST
Curso de Engenharia de Máquinas Marítimas - Escola Náutica Infante D.
Henrique
Pós-graduação na área de Higiene e Segurança no Trabalho
Coordenador do Laboratório de Ensaios Não Destrutivos da Bureau Veritas
Rinave em Lisboa, e responsável técnico de Lisboa e Sines.
Certificação como Técnico END nível 2, nos métodos de MT, PT, UT, RT e VT.
26
STII.4
António Acácio Couto Jorge Lima
Master in Metallurgy and Materials
Specialization in Welding Engineering
Level III according to EN ISO 9712 (Qualification and Certification of Nondestructive Testing Technicians) PT, MP, UT and RT
Executive General Manager of the Company: Manager Training Services,
Technical Director of Non-Destructive Testing Services - Inspections Consulting and Welding Technical Services.
Invited Professor - Faculty of Engineering of University of Porto: Responsible for disciplines of
Quality Management, Welding Technology, Sciences and Testing Materials, Manufacturing
Technologies, Seminars and stages orientation of students in the past year in an industrial
environment.
STII.5
Dr. Cesar Buque, MBA
TÜV Rheinland Group
Am Grauen Stein 1
51105 Cologne
Germany
Office: +49 – (0) 221 806 5135
Mobile: +49 - (0)172 458 3909
Email: [email protected]
Global Business Field Manager Materials Testing & NDT, Corrosion & Failure Analysis
TUV Rheinland Group
Creative and results driven global, NDT Technology and Strategy senior leader with 15 years’
experience in NDT Business within the highly competitive Global Energy and Oil & Gas industry
which demands global NDT leadership skills and continuous technological improvement. PhD in
Physics and holder of a Global Executive MBA title from the OneMBA Erasmus Business School.
27
STII.6
Gonçalo Silva, investigador do departamento de técnicas avançadas de Controlo não Destrutivo
do ISQ, tem colaborado do desenvolvimento técnico de sistemas avançados para inspecção a
alta temperatura recorrendo à técnica de EMAT. Tem experiência no desenvolvimento de
sistemas automáticos de varrimento e tem colaborado em projectos de I&D no âmbito de
programas nacionais de desenvolvimento. Tem ainda experiência nas técnicas de ultrasons
convencionais e ultrasons por ondas guiadas.
STIII.1
Artur Lopes Ribeiro
Licenciou-se em Engenharia Eletrotécnica no Instituto Superior Técnico em
1974. Assistente no Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de
Computadores (DEEC) em 1977. PhD em Eng. Eletrotécnica em 1990.
Agregação em Eng. Eletrotécnica e de Computadores em 2000. Professor
Associado do DEEC desde 2002. Investigador do Instituto de
Telecomunicações desde 1991. Interesse científico atual na área dos ensaios
não destrutivos.
URL: http://www.it.pt/person_detail_p.asp?id=483
STIII.2
Helena Ramos received the Ing. Degree in Electrical and Computer
Engineering in 1980, the M.Sc., PhD. and Aggregation Degrees in Electrical
and Computer Engineering from Instituto Superior Técnico (IST), University
of Lisbon in 1987, 1995 and 2005 respectively. She is Associate Professor in
IST, Vice-President of the Scientific Board and researcher at Instituto de
Telecomunicações (IT). The main lines of research include non destructive
evaluation, PC based instrumentation, transducers, measurement interfaces
and ferromagnetic materials modelling.
STIII.3
Miguel Machado, mestre em Engenharia Mecânica pela Faculdade de
Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa ( FCT-UNL).
Actualmente é bolseiro de investigação no núcleo de tecnologia mecânica do
Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial da FCT- UNL, tendo
trabalho desenvolvido na área dos Ensaios Não Destrutivos e simulação
numérica. Acompanhou e participou em projectos de investigação, com
empresas nacionais e internacionais.
28
STIII.4
Patrick Inácio, mestre em Engenharia Mecânica pela Faculdade de Ciências
e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL). Actualmente é
bolseiro de investigação no núcleo de tecnologia mecânica do Departamento
de Engenharia Mecânica e Industrial da FCT- UNL, tendo trabalho
desenvolvido na área dos Ensaios não Destrutivos. Acompanhou e participou
em projectos de investigação, com empresas nacionais e internacionais.
STIII.5
José Carlos Pardal Ferreira
•
•
•
•
•
Engenharia de Energia e Sistemas de Potência (ISEL)
Engenheiro da Qualidade
•
Auditor da Qualidade desde 2001
•
Nível 3 Responsável OGMA com funções de supervisão técnica dos
ensaios e de qualificação/certificação de pessoal END desde 1997
(certificados CANEND e AgustaWestland)
•
Formador e Examinador de END desde 1997 (métodos PT, MT, ET e
UT)
Formador em Regulamentação Aeronáutica desde 2007
Vogal na CT 138 – ISQ (comissão técnica de normalização END) desde 1997
Avaliador técnico de END do IPAC (Laboratórios END e OCP) desde 2007
Presidente do NANDTB português (CANEND) desde 2009
Avaliador de Células de Melhoria Contínua (Programa de Excelência Empresarial da OGMA
com base na filosofia LEAN) desde 2010
STIV.1
Patrícia da Veiga Frade Pereira
Força Aérea Portuguesa - Direção de Engenharia e Programas – Núcleo de
Estruturas e Materiais
•
•
•
•
Mestrado Integrado em Ciências Militares e Aeronáuticas, na
especialidade de Engenharia Aeronáutica (Academia da Força Aérea)
2013.
Curso de Introdução à Termografia com câmeras FLIR (ISQ) 2013.
Curso de SolidWorks, Início à Modelação 3D (ISEL) 2014.
Curso de Segurança de Voo (Força Aérea Portuguesa) 2014.
29
STIV.2
Bruno Serrano
Master Degree in Military Aeronautical Engineering
Portuguese Air Force (PoAF) Engineering Department from the Logistic
Command: Stress Engineer, Designer Engineer and Compliance Verification
Engineer with experience in Fleet Support Services, Aeronautical Structures
and Equipments.
Portuguese Air Force COCINV (Central Mishap Investigation Commission):
Member of the COCINV team that is responsible for mishap aircraft investigation for the scope of
work related to material factors.
Instructor of technology issues related to the Aircraft safety operation (stability and control, aircraft
performance, high velocity flights, weight and balance, material behavior, failure conditions)
Teacher of Material Science to the Masters Degree course on Piloting and Aeronautics and
Bachelor Degree on Military Aeronautical Sciences.
STIV.3
Rui Manuel Correia Simões
Força Aérea Portuguesa - Direção de Engenharia e Programas – Núcleo de
Estruturas e Materiais
Experiência anterior:
1987-1992 – Mecânico de Motores, C-130H.
1992-1995 – Chefe de Equipa de Manutenção, C-130H.
1995-1999 – Inspetor de Manutenção, C-130H.
1999-2002 – Mecânico de Bordo, C-130H.
2002-2004 – Mecânico de Aeronaves, FTB-337G.
2004-2011 – Chefe de Seção, Laboratório SOAP/END.
Formação:
• Correntes Induzidas Nível I, 2005.
• Ultrassons, Nível II, AIT (Aerospace Inspection Training Ltd), GBR, 2005.
• Partículas Magnéticas, Nível II, AIT (Aerospace Inspection Training Ltd), GBR, 2005.
• Líquidos Penetrantes, Nível I, 2006.
• Partículas Magnéticas, Nível I, 2011.
• Curso de Promoção a Sargento Chefe (CPSCH), 2013.
• Líquidos Penetrantes, Nível II, 2014.
30
STIV.4
Fermín Gómez Fraile
President of AEND
President of Technical Committee of Spanish NANDTB
President of CTN 130 (NDT) AENOR Spanish National Body for Normalization
Level 3 in NDT
Convenor of WG5 (Magnetic Particle Inspection) of CEN/TC138
Member of the Board of Directors of EFNDT
STV.1
Mário Augusto Pires Vaz
Licenciatura em Engenharia Mecânica, opção de Construções Mecânicas,
pela Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), em Julho de
1984.
Doutoramento em Engenharia Mecânica, pela FEUP, em Julho de 1995.
Nesta prova submeteu um trabalho de tese com o título "Interferometria
LASER e métodos híbridos em Mecânica Experimental".
DEMec
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto - Professor Associado do
INEGI - Director do Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental (LOME).
Membro da comissão que representa a APAET junto da European Society for Experimental
Mechanics (EURASEM) e na Society for Experimental Mechanics (SEM).
Membro fundador do Laboratório de Biomecânica da Universidade do Porto (LABIOMEP);
inaugurado em Dez de 2012 e integrando as Faculdades de Medicina, Medicina Dentária,
Engenharia, Ciências e Desporto, além dos institutos de interface INEGI e IDMEC.
Vice-presidente da EURASEM desde Julho de 2012.
31
STV.2
Jaime Miranda Monteiro
FORMAÇÃO ACADÉMICA
DOUTORAMENTO em Engenharia Mecânica; FEUP - Faculdade de
Engenharia da Universidade do Porto (2013)
•
MESTRADO em Engenharia Mecânica, opção de Materiais e processos
de fabrico; FEUP - Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
(1999)
•
LICENCIATURA em Física, ramo científico, opção Óptica e
Electrónica, FCUP - Faculdade de Ciências da Universidade do Porto (1994)
•
Técnico Superior Principal, INEGI/LOME
Investigador do LOME (Laboratório de Óptica e Mecânica Experimental) e responsável pela
manutenção das infraestruturas laboratoriais.
Apoio a algumas aulas do DEMEGI (Departamento de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial),
nomeadamente na cadeira de Análise Experimental de tensões, bem como apoio a alunos de
Mestrado e Doutoramento que utilizam as infra-estruturas do LOME.
Apoio à SMAP (Secção de Mecânica Aplicada) do DEMEGI no que diz respeito a solicitações de
manutenção de equipamentos informáticos.
STV.3
Jaime B. Santos received the M.Sc. degree in Electrical Engineering in
1985, from the
University of Coimbra, and the Ph.D. degree in Electrical Engineering from
the University of
Coimbra, Portugal, in 1994. He is currently Associate Professor at Faculty of
Science and Technology, University of Coimbra. His research interests
include ultrasounds namely NDT&E and image processing."
32
STV.4
Mário J. Santos received a B.Sc., M.Sc. and Ph.D. degrees in Electrical
Engineering from Department of Electrical and Computer Engineering,
Coimbra University, Portugal in 1990, 1997 and 2004, respectively. He is
currently an Assistant Professor in Department of Electrical and Computer
Engineering in Coimbra University. His research interests are related with
ultrasonic non-destructive testing. Actually, he is investigating applications of
ultrasonic guided waves in the inspection of plate and plate-like structures
and biologic tissue characterization using conventional ultrasonic bulk waves.
STV.5
Miguel Caixinha received in 2000 a BSc in Applied Physics and Optics,
specialization in Optometry from the University of Beira Interior, Portugal. In
2006 received a MSc in Vision Sciences from the Faculty of Medicine of the
University of Coimbra, Portugal, and in 2012 received a Diploma of Advanced
Studies in Biomedical Engineering from the University of Coimbra. He is
currently PhD student in Biomedical Engineering in the University of Coimbra,
and researcher in the CEMUC research group from the University of
Coimbra. His research interests are in the field of Optometry and Vision
Sciences namely in the anterior segment of the eye.
STV.6
Dr.-Ing. Werner Roye
Germany, born 1951
University of Aachen, Metallurgy
Working since 40 years in the field of NDT, mainly RT and UT
Certified in UT3 and Phased Array
Employed as Application Engineer at KARL DEUTSCH in Wuppertal,
Germany
33
SESSÃO TÉCNICA I
STI.1
EVOLUTION OF THE ULTRASONIC INSPECTION REQUIREMENTS OF HEAVY ROTOR
FORGINGS OVER THE PAST DECADES
Johannes Vrana1(*), A. Zimmer2, K. Bailey3, R. Angal4, P. Zombo5, U. Büchner6, A. Buschmann7, R. E. Shannon8, H.-P.
Lohmann9, and W. Heinrich10
1
Siemens AG, Munich, Germany
2
Saarschmiede, Völklingen, Germany
3, 4, 5, 8
Siemens Energy, Orlando, FL, USA
6, 7, 10
Siemens AG, Berlin, Germany
9
Siemens AG, Mülheim, Germany
(*)
ABSTRACT
Heavy rotor forgings for land-based power generation turbines and generators are inspected
ultrasonically. Several decades ago the first inspections were conducted using manual, straight
beam, contact transducers with simple, non-descript reporting requirements. The development of
ultrasonic inspection capabilities, the change in design engineer requirements, improvements of
fracture mechanics calculations, experience with turbine operation, experience with the inspection
technology, and probability of detection (PoD) drove the changes that have resulted in the current
day inspection requirements: sizing technologies were implemented, detection limits were
lowered, angle and pitch/catch (dual crystal) scans were introduced, and most recently automated
equipment for the inspection was required. Due to all these changes, model based sizing
techniques, like DGS, and modern ultrasonic techniques, like phased array, are being introduced
globally. This paper describes the evolution of the ultrasonic inspection requirements over the last
decades and presents an outlook for tomorrow.
INTRODUCTION
Siemens produces various products
product portfolio are steam and gas
paper is about the evolution of the
heavy rotor forgings (Fig. 1) built
for power production and energy distribution. Parts of this
turbines and the appropriate generators (see Fig. 1). This
ultrasonic inspection requirements or specifications of the
into these Siemens OEM products. This Siemens
viewpoint includes the history of Siemens KWU and Westinghouse Power Generation.
This paper summarizes on the basis of [1] the ultrasonic inspection requirements for heavy rotor
forgings. Zimmer et al [2] puts the focus on the description of the implementation of the ultrasonic
inspection.
37
Fig.1 Left: Illustration of a generator, steam, and gas turbine (top to bottom) [1].
Right: Heavy rotor forgings for those products respectively. The picture in the lower right shows the
manufacturing process of a gas turbine disc: after forging and heat treatment, ultrasonic contour and
delivery contour [1].
EARLY HISTORY OF ULTRASONICS
Ultrasonics started in the second half of the 19th century with the discovery of the magnetostrictive
effect by J.P. Joule (1847) and the piezoelectric effect by J. & P. Curie (1880). In the same period
of time the first theoretical works on acoustics were published, such as “The Theory of Sound” by
J.W. Strut (Lord Rayleigh) in 1877.
However only due to disaster a first application came up: On April 15th 1912 the Titanic collided
with an iceberg, resulting in the death of 1517 people. The magnitude and public reaction to this
accident resulted in huge efforts to prevent it from happening ever again. Therefore an ultrasonic
echo ranging system was invented by L.F. Richardson in 1912 and J. Fessenden built the first
iceberg detection system based on ultrasonics in 1914.
In the same year World War I began and drove the development of submarine detection systems.
Therefore, the application and development of ultrasonic echo ranging systems shifted and in
1916 P. Langevin developed the so-called hydrophone for this purpose. However before SONAR
(Sound NAvigation and Ranging) systems were ready for use World War I ended and
development slowed.
38
Fig.2 Left: Sperry Reflectoscope from approximately 1945 [1].
Right: Siemens Reflectoscope from approximately 1950 [3].
In 1928, the Soviet physicist S.Y. Sokolov proposed using ultrasonics for non-destructive
evaluation (NDE) of materials or to be more precise for flaw detection in metals. In the following
decades, the technology was further developed all over the world, especially during World War II.
However with the development of electronics and with the change from a continuous wave to a
pulse echo approach, ultrasonics became one of the most important tools for NDE. F. Firestone
and D. Sproule independently developed pulse echo systems during the World War II. Firestone
used a single crystal transducer and Sproule a dual crystal pitch catch transducer.
This development of pulse echo systems and the availability of first commercial systems from
Sperry (in Fig. 2 an early model of a Sperry Reflectoscope, developed by F. Firestone, can be
seen) and Hughes after World War II were the start of industrial UT. Based on this, several other
companies started producing ultrasonic pulse echo instruments. For example Krautkrämer, Karl
Deutsch and Siemens started even before 1950. Fig. 2 shows on the right side a Siemens
Reflectoscope from approximately 1950 with a creative screenshot camera [3]. Siemens is not
producing any more ultrasonic instruments for NDE but this was more or less the start for the
Siemens Medical Business.
Start of the Ultrasonic Inspection of Heavy Rotor Forgings at Siemens
In 1952 R. Schinn and U. Wolff [4] published their successful application of an ultrasonic pulse
echo system on heavy rotor forgings at Siemens-Schuckertwerke in Germany. They used
Siemens and Krautkrämer instruments and inspected generator forgings with straight beam
longitudinal testing only in the radial direction. Westinghouse also started in approximately 1950
with UT using Sperry Reflectoscopes. Also the start of using ultrasonics for the examination of
rotor forgings at Siemens or respectively at former Westinghouse Power Generation began only
39
five years after the start of the pulse echo systems, Literature exists which goes back to 1946
identifying Gebrüder Sülzer in Switzerland [5] using a Hughes system for a supersonic flaw
detector.
Fig.3 Ultrasonic examination of a heavy rotor forging in 1953 (left) [6]
and 2008 (right) [1].
How successful the use of ultrasonic instruments is, is shown by the fact that starting in the year
1954, the manual ultrasonic inspection of forgings within Siemens became mandatory and is still
used today (see Fig. 3).
TYPICAL DISCONTINUITIES
Ultrasound inspection gave material scientists and engineers a new view into critical components
in the form of electronic signals that are indications of potential defects or other discontinuities in
the material. As a result, it became necessary for Material and NDE Engineers to develop
methods for categorizing the indications. Moreover it became important to determine the relative
detectability of various discontinuities based on which transducers and scanning parameters were
used. The following is an overview of typical discontinuities that are most commonly created
during the forging and heat treatment process.
A metallic inclusion can be expected as one of the most difficult discontinuities to detect in a
forging because the acoustic impedance of the inclusion is close to the acoustic impedance of the
surrounding material. The result can be that the metallic inclusion will hardly give any ultrasonic
reflection if there is no gap to cause an efficient reflection.
Nonmetallic inclusions, which normally appear as non-concentric patterns or clouds, and
indigenous inclusions are normally expected to result in quite good detectability with axial and
radial UT inspections. This is especially true as they are oriented usually parallel to the surfaces
due to the forging process.
Hydrogen flakes tend to form at grain boundaries and they appear usually as multiple randomly
oriented single indications. The random orientation could lead to the fact that individual hydrogen
flakes can be missed during inspection. However as they normally form in numbers the chance of
missing all of them is considered to be quite low.
40
Secondary pipes which are formed during solidification of the ingot and Ruptures, such as bursts
caused during forging at locations with highest shear, and tears caused by too fast heating are
usually centered if the forging process is homogeneous. Therefore they should be detectable with
radial scans, but require consideration for the diffuse echoes as the surface of such flaws is
normally rough compared with the wavelength of the ultrasonic pulse, making sizing difficult.
However possible reductions in detection can be overcome in particular by observing a drop in
backwall reflection amplitude.
Quench cracks can be initiated during quenching starting at the surface and growing inwards.
Therefore the best way for UT detection is using shear wave or surface wave. Other NDE methods
like magnetic particle or dye penetrant would typically be used.
Angled Discontinuities
While most of the typical discontinuities can be detected with radial inspections, there are
occurrences when a discontinuity is not oriented perpendicular to the surface. In this case the
main wave front is not reflected in the direction of the transducer, the amplitude of the received
signal is lower and the indication could be missed due to the limited dynamic of the inspection
system.
Fig. 4 shows an example for such a situation: In the case the transducer is placed directly above
the indication the reflected main wave front will miss the transducer and the indication is not
detected. Only when the transducer is moved a diminished return signal can be seen from a part
of the cone of the beam spread. However the amplitude will be (drastically) reduced compared to
an ideal perpendicular reflector. This leads to two issues: first being that the indication appears to
reside at a different location and second the reflectivity and therefore also the size of the indication
will be underestimated.
For a typical 25 mm (1.0 inch) diameter, 2 MHz or 2.25 MHz transducer the -6 dB beam spread is
about 4°. Therefore the undersizing of indications tilted by more than 4° can be substantial.
Gai
n
[dB
]
Angle [°]
Fig.4 Left: Detection of discontinuities not oriented perpendicular to the sound beam [1].
Right: Beam spread of a 25 mm, 2 MHz transducer, both the usual monochromatic (harmonic) and the realistic
polychromatic (transient) display [7].
Fig. 4 gives an idea of the severity of undersizing indications depending on the angle. Typically
such crossections show multiple beam lobes. Those beam lobes cannot be seen in reality and are
41
the result of monochromatic (harmonic) calculations using only the center frequency. Once the
band width of the transducers/inspection systems is taken into account by a transient calculation
[7] the lobes are smoothened. Fig. 4 shows the result for a medium band pulse.
Off-Centered Discontinuities
The same is true for off-centered discontinuities in circular components like discs or shafts. As
shown in Fig. 5 such discontinuities will most likely not be detected directly. Only when the
transducer is moved around the part by almost 90° will the indication be detected with the beam
spread. This means that the indication will be in a different location than expected due to the
inspection. On the one hand the location will appear off by about 90° and the soundpath to the
indication is longer than expected (s’
≥ s). Additionally the indication will appear undersized
because it is detected off center beam. Worst case the discontinuity will not be detected at all if the
amplitude response of the indication is smaller than the noise.
s
Fig.5 Left: Detection of off-centered discontinuities in circular components with the soundpath s or
respectively s’ [1].
SIZING METHODS & FRACTURE MECHANICS
Beginning in the 1960s, design engineers adopted fracture mechanics methods into the design
and evaluation of new and existing rotor forgings, requiring indication sizing steps to be added to
the evaluation of indications found with ultrasonic testing.
Indication sizing in rotor forgings is done by amplitude based sizing methods. For indications
larger than the beam spread sizing by transducer travel (echo dynamic sizing, e.g. -6 dB drop
method) is used and for indications smaller than the beam spread area amplitude based sizing is
used. Both amplitude based sizing methods are found to provide sufficient consistency and
reliability, and when combined with the use of safety factors give a conservative design approach.
Sizing by Transducer Travel
For the sizing by transducer travel the technician moves the transducer in both dimensions on the
surface of the component, observes the signal on the screen, and evaluates from the drop of the
amplitude of the signal the extent of an indication in two dimensions. The third dimension is given
by the soundpath. Therefore, the extent in all three dimensions can be extracted for indications
larger as the beam diameter.
42
Area Amplitude Based Sizing Methods
Discontinuities which have to be found in forgings nowadays are pretty small. Due to the size of
the components (discs can have diameters up to 3000 mm) and the resulting long soundpath and
large beam spread and due to the small size of the discontinuities to be detected indication sizing
by transducer travel is not applicable in most cases. Therefore other sizing methods have to be
used.
For this application area amplitude based sizing is mostly used. The location of the indication in
the component is given by the soundpath and the location of the transducer on the surface.
However the information of the size is based on the amplitude of the reflection. Therefore the
amplitude is corrected by the soundpath and compared to the reflection of an artificial reflector like
a flat bottom hole (FBH). With this, the size of an indication is given to be equivalent to a certain
FBH size. In contrast to sizing by transducer travel different area amplitude based sizing methods
are used depending on qualification of techniques on a location-by-location basis.
The most traditional methods used from the early days of ultrasonic testing employed Distance
Amplitude Correction (DAC) based on calibration from multiple flat bottom holes. Some of the
specifications from Westinghouse required exactly this method. However this DAC was only based
on two measured points: one at ~75 mm (3”) and one at ~280 mm (11”) and extrapolated to ~560
mm (22”) and ~840 mm (33”). This extrapolation was based on the inverse square law.
Already in 1950, five years after the start of ultrasonic testing, Kinsler and Frey published their
book about the fundamentals in acoustics [8] with a theoretical calculation of the sound field of a
piston source in the far field (this work is actually in general about acoustics). Seki et all [9] took
this work a few steps further. Their work is the basis for all theory based sizing methods on
Siemens and former Westinghouse designs.
Besides the DAC method (for which the extrapolation is also based on this theory), one of the
theory based methods used at Westinghouse used the calibrating on only one FBH [10]. As this
calibration is not done on the actual component (like normal DAC) some component dependent
factors had to be taken into account. Therefore several papers were published in the following
years to compensate for surface roughness, curvature and beam attenuation.
A different approach was taken by different specifications at Westinghouse. Those specifications
called for calibrating on the backwall of the component. Therefore those component depending
factors were automatically taken into account.
In 1959 J. Krautkrämer published the Distance Gain Size (DGS or AVG) Method which is a
method widely used in Europe. This method is actually based on the same theoretical basis and
puts the information into a very handy diagram (in particular at a time in which it was not normal to
have access to a computer). Hereby the amplitude loss (gain) of the backwall or of a particular
FBH size is plotted against the soundpath. The different curves within this coordinate system start
with the backwall curve on the top (low gain values) and multiple curves for different FBH sizes.
Those FBH curves are parallel in the farfield and the gain increases with decreasing FBH value.
With this diagram it is not only very easy to calibrate the equipment but also to size indications
[11]. This method is used at Siemens for all new discs and shafts including former Westinghouse
designs and also for the US market.
43
Implementation of Indication Sizing
Fracture mechanics was implemented in the 1960s and starting in 1970, the sizing of indications,
using in particular area amplitude sizing, became a requirement for most large forgings for our
industry. The first specifications were merely a single sentence in a 2 page forging procedure:
“Intermediate echoes occurring during ultrasonic testing of an equivalent reflector size of > 5 mm
Ø and all indications with a reduction of the backwall echo have to be reported”. This is in contrast
to our present day 40 page specification (not counting the component specific riders).
EXPERIENCE DUE TO TURBINE OPERATION
With exactly those inspection requirements an LP (low pressure) steam turbine rotor was forged in
1970 for a 330 MW steam turbine. After 16 years of operation, on New Years morning at
approximately 6:08 a.m, one of the worst accidents in the history of power production turbines
occurred (see Fig. 6). The rotor cracked, some of the parts flew through the wall of the turbine and
of the power plant. Some parts were found up to 1.3 km (approx. 1 mile) from the power plant.
Luckily nobody was hurt. [12, 13]
The analysis of the accident showed that the reason for this accident was a forging defect that had
produced an ultrasonic indication during manufacturing inspection. It was evaluated at that time to
be equivalent in size to a 5 mm FBH with a complete loss of the backwall. The indication was
classified as a group indication of numerous (rather small) non-metallic inclusions and therefore
accepted. However, after the accident, detailed metallurgical investigations determined the cause
of the failure to originate from four secondary pipes. The largest pipe found was about the size of a
hand and was off-centered. Due to this off-centering the indication was undersized by about 50 to
60 dBs (Fig. 4 right and Fig. 7 left). [12, 13]
This finding was enough to cause a significant revision to the German specification VGB 504 for
the production of heavy rotor forgings. For the ultrasonic inspection of rotor forgings, angle scans
became necessary.
For components without a bore angle scans were introduced. The angles have to be in intervals of
no more than 2 times the -6 dB beam spread so that an off centered or angled indication would be
undersized by not more then 6 dB. This means for a standard 2 MHz 25 mm Ø transducer that 7°,
14°, 21°, and 28° have to be used (Fig. 7 middle). Moreover, once an indication is found,
intermediate angles are required to be used to maximize amplitude response allowing for best
possible sizing of the indications.
For bored components the highest stressed areas are around the bore, making discontinuities in
the radial orientation most critical. Therefore a scan with the beam tangent to the bore and
additional scans with higher angles to cover the highly stressed zone (determined by fracture
mechanics) around the bore were introduced (Fig. 7 right).
44
Fig.6 LP rotor failure from 1988 [12, 13].
Before 1989
After 1989
Without Bore
After 1989
With Bore
Fig.7 Left: Situation during the inspection of the rotor in 1970 [1];
Middle: Mandatory angle inspections starting from 1989 for forgings without bore [1];
Right: Mandatory angle scans for forgings with bore to cover a (highly stressed) zone around the bore [1].
Similar changes to the specifications in America had been made because of a different failure in
1974. This failure happened to an IP (intermediate pressure) – LP steam turbine rotor forging of a
225 MW steam turbine which was placed into service in 1957. After 17 years of operation, this
rotor failure happened due to a combination of creep initiated fatigue and brittle fracture and
resulted the forging splintering into multiple pieces (see Fig. 8). Detailed metallurgical
investigations reported an area of MnS segregations as the crack initiator. Moreover both temper
and hydrogen embrittlement were found as contributing factors. The accident led specifically to
adoption of boresonic inspections in the industry. [14]
45
Fig.8 TVA Gallatin rotor failure [14].
INTRODUCTION OF FURTHER SCANS
The manufacturers of early gas turbine rotor forgings used the ultrasonic inspection specifications
for steam turbine rotor forgings. In the early 1980s gas turbines became more widely used for
power generation and the specification for gas turbines rotor forgings was separated from the
specification for steam turbines. Moreover due to using stacked discs in gas turbine rotors, axial
scans were introduced to improve defect detection probability.
Approximately at the same time angle scans were introduced. They can be used for a more
accurate inspection of critical areas like blade roots, coil notches and cooling bore areas.
RECENT DEVELOPMENTS OF ULTRASONIC INSPECTION
With the development of computer based ultrasonic instruments and electromechanical drives,
automated ultrasonic inspection systems became practical. The advantages of the automated
systems provide more precise control of key factors of the ultrasonic inspection process,
especially transducer positioning, scanning speed, contact pressure, transducer direction and
angle control. Also the detection of indications became more consistent and reliable with digital
recording of the ultrasonic data. Due to recording, A, B, and C-Scan offline review and other
evaluation methods became possible and allowed more consistent comparison with other
examinations. The first automated inspection system used for Siemens rotor forgings was installed
at Saarschmiede at 1995 [2] (see Fig. 9). Finally with the year 2004 automated inspection became
mandatory for certain critical components.
46
Fig.9 Left: Automated Inspection System from 1995 at Saarschmiede [2]
Right: SAPHIR (Siemens ALOK Phased Array Integrated Reliable) Inspection System from 1996 [15].
Approximately at the same time the miniaturization of electronic circuits allowed the construction of
first phased array systems for ultrasonic inspection. One of the first commercially available
systems was the Siemens ALOK Phased Array Integrated Reliable (SAPHIR) inspection system
[15] from 1996 (see Fig. 9).
Besides further automated inspection systems Saarschmiede started using phased array
transducers in 2002 to inspect all necessary angles with one transducer and in 2009 Siemens
implemented the use of phased array transducers into the specifications.
To realise the demand to increase turbine generator performance over the past decades, the
requirements for the integrity of forgings were raised and the detection sensitivity for small
indications had to be improved. This was possible by taking advantage of better rotor forging
manufacturing processes and improvements in ultrasonic technology. In the meantime this
resulted in the increase of the inspection sensitivity from the original equivalent of 5 mm FBH to
0.7 mm FBH.
In 2009 Siemens started harmonizing the specifications for the ultrasonic inspection of rotor
forgings for global applications. This anticipates the resolution of multiple issues not yet
harmonized by international standard communities.
OUTLOOK
As shown by this publication although multiple developments in the history of ultrasonics were
caused by war and disasters at least as many developments were caused by the technically
possible or necessary.
In addition to international harmonization, future improvements have been identified in heavy rotor
forging inspections:
47
•
•
•
•
•
•
•
Reduce inspection time to lower manufacturing costs (currently the shortest inspection
time is about one day for a simple gas turbine disc, for generator and steam turbine
shafts the inspection time can be up to 1-4 weeks)
Better characterization of defects by improving the data analysis process to reduce risk
of failures and increase manufacturing yield
Standardized ultrasonic data files (DICONDE seems to be a good start)
3D Ultrasonic data fusion with other NDE data to improve sizing
Incorporate complete NDE results into 3D CAD engineering tools for Design Engineers
Ultimately incorporate subsequent NDE results after service exposure for the purposes
of: feed back to manufacturing and design, lifing, and condition based maintenance
Relaxation of inspection criteria by probabilistic design methods to improve design
margins
REFERENCES
[1] J. Vrana, A. Zimmer, K. Bailey, R. Angal, P. Zombo, U. Büchner, A. Buschmann, R. E.
Shannon, H.-P. Lohmann, and W. Heinrich: “Evolution of the Ultrasonic Inspection Requirements
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Thompson, D.E. Chimenti, pp. 1623-1630 (2010).
[2] A. Zimmer, J. Vrana, J. Meiser, and N. Blaes: “Evolution of the Ultrasonic Inspection of Heavy
Rotor Forgings Over the Last Decades”, Review of Progress in QNDE 29, edited by D.O.
Thompson, D.E. Chimenti, pp 1631-1638 (2010).
[3] E.A.W. Müller: “Ultraschall als Hilfsmittel der Materialprüfung“, Werkstatt und Betrieb 84 Heft
12 (1951).
[4] R. Schinn and U. Wolff: “Einige Ergebnisse der Überschallprüfung schwerer Schmiedestücke
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[5] W. Felix: “Die zerstörungsfreie Prüfung grosser Schmiedeteile mit Ultraschall”, Schweiz. Arch.
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[6] R. Schinn: “Erfahrungen mit der Ultraschallprüfung bei der Abnahme von Rotoren für
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[7] K.T. Fendt, H. Mooshofer, S.J. Rupitsch, R. Lerch, and H. Ermert: “Investigation of the
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[8] Kinsler, Frey: “Fundamentals of Acoustics“ (1950).
[9] H. Seki, A. Granato, and R. Truell: “Diffraction Effects in the Ultrasonic Field of a Piston Source
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[11] J. Krautkrämer: “Fehlergrößenermittlung mit Ultraschall”, Archiv für Eisenhüttenwesen 30, pp.
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48
[12] J. Ewald, C. Berger, G. Röttger, and A.W. Schmitz: “Untersuchung an einer geborstenen
Niederdruckwelle“, VBG Konferenz „Werkstoffe und Schweißtechnik im Kraftwerk 1989“ Vortrag
12 (1989).
[13] A. Merz and R. Reifenhäuser: “Der Turbinenschaden im Kraftwerk Irsching“, VGB
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[14] J.M. Schmerlin and J.V. Hammon: “Investigations of the Tennessee Valley Authority Gallatin
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[15] R. Meier F. Dirauf, B. Gohlke, and E. Fischer: “Innovative Robotics and Ultrasonic Technology
at the Examination of Reactor Pressure Vessels in BWR and PWR Nuclear Power Stations”,
ECNDT, Copenhagen, Denmark, May 26-29 (1998).
49
STI.2
DETEÇÃO DE DESCONTINUIDADES EM SOLDADURA DE CHANFRO APERTADO EM AÇO
AUSTENÍTICO RECORRENDO A CONVERSÃO DE MODO NA TECNOLOGIA PHASED
ARRAY DE ULTRASSONS
NOGUEIRA, António Sá1; QUINTINO, Luísa2; BARROS, Pedro3
1,3
ISQ
2
Universidade de Lisboa – Instituto Superior Técnico
RESUMO
O estudo aqui apresentado destina-se a fazer proveito das técnicas de conversão de modo
acústico (MC) para otimizar a deteção de descontinuidades em soldaduras de chanfro apertado,
em componentes de espessura elevada e muito elevada aumentando a probabilidade de deteção
de descontinuidades (POD) e diminuindo a probabilidade de falsos alarmes (PDFA).
INTRODUÇÃO
O desenvolvimento de um número cada vez maior de procedimentos de ensaio, cada vez mais
específicos e direcionados, resulta da crescente necessidade de tecnologias de ensaios não
destrutivos (END) em soldaduras cada vez mais especializadas para casa aplicação. No quadro
de descontinuidades habituais para cada tipo de situação surgem algumas que, pelas suas
características geométricas e de orientação, são de difícil deteção pelas técnicas estabelecidas.
Exemplos destes casos são faltas de fusão em soldaduras na superfície do chanfro apertado, em
chanfro túlipa ou descontinuidades verticais tais como fissuras de solidificação.
Mesmo em casos cujo estudo e conhecimento estão já mais aprofundados, como os ensaios de
ultrassons em aço ferrítico, a deteção de descontinuidades orientadas quase verticalmente não
tem sido estudada aprofundadamente. Este estudo acarreta um aumento da complexidade do
procedimento de ensaio, mais desfavorável comercialmente. Esta situação é ainda mais
complexa para materiais anisotrópicos, tais como aços inoxidáveis austeníticos ou juntas
soldadas de materiais dissimilares.
CONCLUSÕES
•
•
•
•
1
2
Foi desenvolvido um método de ensaio para soldaduras de parede espessa em aços
inoxidáveis austeníticos.
Os resultados significam um desenvolvimento significativo nesta área dos END. Não só foi
usada uma nova abordagem às características de propagação sonora foi utilizada como
também a efetividade dos END foi melhorada, neste tipo particular de chanfro (apertado)
Foi demonstrado que o uso de conversão de modo é uma técnica viável e legítima. Isto pode
fornecer várias novas opções para qualquer tipo de geometria ou material.
Esta técnica melhora a PDD global do UT através da deteção de descontinuidades orientados
de modo particular, não detetáveis por reflexão em phased array.
ISQ
Universidade de Lisboa, IST
50
REFERÊNCIAS
[1]
ASM International, Metals Handbook, Second edition ed., vol. 1, J. R. Davis, Ed., 1998.
[2]
International Institute of Welding, Handbook on the Ultrasonic Examination of Austenitic and
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Conference), Amsterdam, Elsevier Science Publishers, 1989.
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Stress of Narrow Gap Weld for Leak-Before_Break Application to Nuclear Piping,"
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[15] J. Krautkramer and H. Krautkramer, in Ultrasonic Testing of Materials, 4th fully revised ed.,
Springe-Verlag, 1990.
51
STI.3
SISTEMA
AVANZADO
DE
MONITORIZACIÓN
DE
CONDICIONES
PARA EL
ASEGURAMIENTO DE LAS PARTES ROTATORIAS DE TURBINAS AEROGENERADORAS
R. Rodríguez1, Fermín Gómez1 Jesus Antonio Jimenez2, Slim Soua2 Estefanía Artigao3, Lars Schubert4,
1
Asociación Española de Ensayos no Destructivos; Bocángel 28 2 izq 28028 Madrid, España [email protected]
2
TWI; Granta Park, Great Abington, Cambridge
[email protected]
[email protected]
[email protected]
3
Brunel Innovation Centre; Granta Park, Great Abington Cambridge, UK
[email protected]
4
Fraunhofer Institute for Nondestructive Testing; Maria-Reiche-Strasse 2, Dresden
[email protected]
ABSTRACT
Los métodos actuales de monitorización de aerogeneradores requieren de mucho tiempo, son
costosos y pueden fallar en alcanzar la fiabilidad y eficiencia operacional que la industria requiere.
Por ello, métodos de monitorización de condiciones (CMS, Condition Monitoring Systems)
basados en vibración normalmente no son capaces de detectar defectos hasta que son críticos.
El proyecto CMSWind desarrollará un sistema de monitorización avanzado para componentes
rotativos de aerogeneradores. Mediante la implementación de tres técnicas novedosas,
específicamente diseñadas para aerogeneradores y sus componentes, se mejorará la fiabilidad
de la maquinaria del aerogenerador en un 50%. Dicha estimación se extrae del hecho de que de
esta manera, el mantenimiento innecesario causado por fallos imprevistos dando como resultado
en aerogeneradores fuera de servicio, se reducirá o incluso eliminará, conduciendo a una mejor
fiabilidad y operación. Se utilizarán Análisis de la firma de corriente, Análisis Modal de Operación
y Técnicas de Emisión Acústica, para monitorizar el estado del generador, la multiplicadora y los
componentes rotativos, respectivamente. Los fallos imprevistos en estos componentes
representan un 53% del tiempo que un aerogenerador está fuera de servicio.
Todos los sistemas serán integrados mediante una SCADA (Supervisory Control and Data
Acquisition) para proporcionar control con supervisión, registro de datos y análisis.
El proyecto CMSWIND mostrará la utilidad de un sistema de monitorización que permita una
detección temprana de los defectos. El concepto consiste en implementar un sistema que:
•
•
•
•
Permita la detección e identificación temprana de defectos en componentes del
aerogenerador como defectos en los rodamientos, corrosión del colector del generador,
desalineación del eje/rodamientos, contribuyendo por tanto a la optimización del
mantenimiento programado.
Combine el uso de diferentes sensores con el fin de evaluar la condición operacional
del conjunto de generador, multiplicadora, rodamientos y eje principal del
aerogenerador.
Utilice sensores sin cables para monitorizar componentes rotativos que usen
alimentación de alto rendimiento y sistemas de captación de energía.
Combine y analice los datos obtenidos a través de los diferentes sensores mediante un
único sistema SCADA.
52
1. ANTECEDENTES
A pesar del interés público y gubernamental por los proyectos sobre Energías Renovables, la
capacidad del sector eólico offshore para cumplir ambiciosos objetivos está lejos de lo deseado.
El reto comienza con la necesidad de convencer a inversores para que financien los grandes
costes iniciales. Desde un punto de vista genérico, la energía eólica necesita ofrecer la imagen de
una gran tasa de retorno para así reducir al máximo el tiempo de amortización.
Los problemas de fiabilidad presentan el mayor riesgo potencial para el futuro del sector eólico.
Las ratios de fallo en turbinas eólicas offshore es muy superior al de las que se encuentran tierra
adentro, con una disponibiilidad de uso reducida en torno al 60%. Además, las averías en este
tipo de aerogeneradores son difícilies y por tanto muy caras de corregir. Revisando un análisis
histórico de mantenimiento se desprende que, a parte de las dos visitas anuales programadas
para mantenimiento a un parque eólico offshore, se realizan cerca de veinte visitas no
programadas debidas a problemas puntuales.
Así pues, los costes de operación y mantenimiento (O&M) constituyen una parte considerable del
total anual para un aerogenerador convencional. En una máquina nueva, estos pueden suponer
aproximadamente el 20-25% del coste total por KWh producido a lo largo del periodo de vida del
aerogenerador. Durante la etapa jóven, estos costes suponen entre el 10-15% pero aumentan
hasta el 30-35% cerca del final de la vida útil del aparato.
Cualquier fallo imprevisto en ciertos componentes del aerogenerador, como las palas, torre, caja
de cambios, generador, sistema de frenado, sistema de orientación, etc. puede suponer un
incremento sustancial en los costes de mantenimiento y en consecuencia reducir la viabilidad de
la generación eólica.
El proyecto CMSWind desarrollará un sistema avanzado de monitorización para la maquinaria del
aerogenerador. Con dicho fin, se utilizarán tres novedosas técnicas diseñadas específicamente
para aerogeneradores y sus componentes.
Dichas técnicas serán: Análisis de la Firma de Corriente (Motor Current Signature Analysis,
MCSA), Análisis Modal de Operación (Operational Modal Analysis, OMA) y técnicas de Emisión
Acústica (Acoustic Emission, AE) para monitorizar la condición del generador, caja de cambios y
demás componentes rotativos (causantes del 53% del tiempo de parada de un aerogenerador).
Todas las técnicas se integrarán en un sistema de supervisión (SCADA) para grabar, analizar y
supervisar el estado de la maquinaria.
53
Figura 1. Localización de los sensores.
El proyecto CMSWind es un un proyecto de colaboración entre cuatro Organizaciones de
Investigación, cuatro Asociaciones de PYMEs, dos PYMEs y un Usuario Final (End-User) todos
ellos en el campo de la Energía Eólica, Ensayos No Destructivos e Ingeniería a nivel Europeo,
con participantes de Espana, Reino Unido, Grecia, Bélgica y Alemania.
Tabla 1. Composición del consorcio del proyecto
Asociaciones industriales/Industry
Associations
Asociación
Alemana
de
Ensayos
no
Destructivos DGZfP(Alemania)
Asociación Empresarial Eólica AEE (España)
Asociación Española de Ensayos no
Destructivos AEND (España)
Turkisk Wind Energy Association TWEA
(Tuquia)
Centros de investigación/Research
Organisations
TWI (UK)
Bunel University (UK)
Fraunhöfer (Alemania)
Innora (Grecia)
Fabricantes/Manufacturers
Co-sevices (Belgica)
INESCO (España)
Usuarios de END/NDT Users
Sinclair Knight Merz SKM (UK)
54
2. ESTRUCTURA DEL PROYECTO
El proyecto se estructura en 9 paquetes de trabajo según se muestra en la figura 2.
WP2 ANÁLISIS DE LA FIRMA
DE CORRIENTE DEL MOTOR
WP3 ANÁLISIS MODAL
DE OPERACION
WP4 EMISIÓN
ACÚSTICA
WP5 MONITORIZACIÓN EN UN AEROGNERADOR
WP6 ANÁLISIS DE LOS DATOS REGISRADOS
WP8 DISEMINACIÓN Y EXPLOTACIÓN
WP9 GENTION DEL PROYECTO
WP1 ESPECIFICACIONES DEL SISTEMA
WP7 DESARROLLO DE GUIAS PARA LA APLICACIÓN DE LA
TECNOLGÍA DESARROLLADA
Figura 2. Diagrama de flujo del proyecto
3 ESPECIFICACIÓN DEL SISTEMA
Al principio del proyecto se tienen que definir diversos componentes y características para guiar
los objetivos de investigación que seguirán.
Los operadores de aerogeneradores ya cuentan con planes y programación para sus operaciones
de mantenimiento. Un sistema de monitorización de condiciones les proporcionará datos
adicionales muy útiles sobre el estado de sus máquinas, pero los datos extras pueden ser
muchos. En esta tarea se determinará exactamente la cantidad y la forma de salida de datos.
Serán determinadas paradas automáticas, alertas preliminares y otros modos de fallos.
Con más de una década de participación en el sector eólico, SKM tiene muchos clientes
interesados en técnicas de monitorización avanzadas. SKM puede elegir fácilmente un
aerogenerador que será donde el proyecto de CMSWind se instale para fines de prueba y
desarrollo.
Un gran número de datos tiene que ser transmitido desde la ubicación remota de los
aerogeneradores, es por ello que se requiere un sistema local de almacenamiento Supervisory
Control And Data Adquisition (SCADA).
55
Adquisición preliminar
de datos
Generación de la baseline
Determinación de los límites de
correcto funcionamiento
Adquisición periódica de
datos y comparación con la
baseline
Figura 3 . Estrategia del Sistema de Monitorización del Proyecto de CMSWind
4 ANÁLISIS DE LA FIRMA DE CORRIENTE DEL MOTOR (MCSA)
Motor Current Signature Analysis MCSA es el procedimiento de adquisición de la señal de
corriente del motor, realizando el acondicionamiento de señales y el análisis de la señal derivada
para identificar varias averías [2].
Una señal de corriente del motor es idealmente una onda sinusoidal perfecta en 50 Hz. Se puede
representar la corriente en el dominio del tiempo, así como en el dominio de la frecuencia. La
conversión del dominio del tiempo al dominio de frecuencia se consigue utilizando la transformada
rápida de Fourier (FFT). La amplitud del pico en el dominio de la frecuencia es igual a la amplitud
del valor cuadrático medio (RMS) de la onda sinusoidal. En una situación teórica sin armónicos,
se vería sólo un pico en el espectro de frecuencia. Durante la operación real, estarán presentes
muchos armónicos en la señal del motor, por lo tanto, una señal real mostrará muchos picos
incluyendo frecuencia de línea y sus armónicos, que es la firma actual del motor. MCSA implica el
análisis de la corriente y el voltaje suministrado a un motor u obtenido de un generador
El principio en el que se basa MCSA es que, en una situación teórica sin armónicos, se verían
sólo un pico en el espectro de frecuencia. Por lo tanto mediante la localización y análisis de
armónicos relacionados con su origen se puede evaluar la salud del generador de corriente.
Analizando estos armónicos, después de amplificación y acondicionamiento de señales, se
permitirá la identificación de los diferentes fallos del motor [3]. Ciertos armónicos son
suministrados por la fuente y son de poca importancia. Sin embargo, también se generan
armónicos debido a varios fallos eléctricos y mecánicos. Todos los fallos provocan un cambio en
la distribución del flujo interno, generando los armónicos.
56
a) Espectro de frecuencia ideal
b) Espectro de frecuencia real
Figura 4 Espectros de frecuencias
Los diferentes componentes de frecuencia asociados a diferentes fallos en las máquinas de
inducción son bien conocidos. Serán monitorizados cortos intervalos definidos alrededor de los
componentes de frecuencia relacionados con los fallos. Características relevantes de los
intervalos extraídos marcarán una tendencia y se generará una firma que servirá como base para
la evaluación de la salud del generador. El objetivo de tendencias es establecer niveles de señal
aceptable o no aceptable durante la operación del generador
La figura 5 presenta la firma obtenida en el WINDMASTER300 para el caso de barras de rotor
roto. Los "Bins" corresponden a 10 diferentes velocidades del generador y el "Factor de cresta"
corresponde a una desviación standard ± promedio de la función seleccionada.
Figura 5 Firma para bandas laterales izquierda y derecha de intervalos de barras de rotor roto
Principales fallos en los generadores:
•
•
•
•
•
Fallos del estator resultantes en la abertura o cortocircuitos de uno o más de los
bobinados.
Conexión anormal de las bobinas del estator.
Barras de rotor rotas o agrietamiento en el final de los anillos del rotor.
Excentricidad estática o dinámica
Eje doblado (similar a la excentricidad dinámica)
57
Los diferentes componentes de frecuencia asociados a diferentes fallos en la inducción de
máquinas son bien conocidos, algunos se muestran en la figura 4, éstos se pueden utilizar para el
diagnóstico y detección de fallos
Figura 6 fallos relacionados con la frecuencia
Serán monitorizados cortos intervalos definidos alrededor de los componentes de frecuencia.
Características relevantes de las sub-formas de onda extraídas marcarán una tendencia para el
desarrollo de la firma durante la etapa de formación y para la monitorización en la etapa posterior.
De esta manera, se ha actualizado esta técnica y será utilizada para mediciones fuera de línea o
incidentales para el diagnóstico en un subsistema de monitorización continuo.
El módulo MCSA monitorizará, remota y continuamente, el generador, prediciendo la mayoría de
fallos típicos encontrados en generadores y enviando alarmas al usuario en caso de que éstos se
den.
Un punto clave del MCSA es que mide la señal eléctrica cuyos componentes están directamente
relacionados con el par rotacional de los componentes gracias al cual se observan fallos como
ruptura de las barras del rotor, excentricidad, cortocircuitos, etc. Por medio de MCSA se pueden
detectar estos problemas de forma prematura evitando daños secundarios así como el fallo
completo del generador.
Con la intención de monitorizar continuamente una máquina eléctrica utilizando MCSA, será
necesario tener en cuenta ciertas características de la DFT obtenida del vector analizado. Una
serie de pasos que se pueden utilizar para realizar MCSA, se presenta a continuación:
•
•
•
•
Ajustar y supervisar el sistema analizado.
Determinar la problemática relacionada con el sistema en cuestión.
Tomar datos de funcionamiento.
Revisar datos:
o
Revisar capturas de 10 segundos de duración para visualizar la operación durante
este periodo de tiempo.
58
o
o
Revisar la corriente desmodulada de baja frecuencia para ver la condición del rotor
e identificar cualquier problema de carga relacionado.
Revisar la corriente desmodulada de alta frecuencia y la tensión para determinar
otros posibles fallos que afecten a la salud tanto mecánica como eléctrica de la
máquina.
5 ANÁLISIS MODAL DE OPERACIÓN (OMA)
Operational Modal Analysis Technique (OMA) se utiliza para la extracción de datos necesarios
para comprender y describir el comportamiento dinámico de una estructura determinada mediante
la extracción de frecuencias naturales, la desviación de la estructura correspondiente a la
frecuencia y la amortiguación modal [4]. Las propiedades modales de una estructura compleja,
como un tren de la impulsión, dependen, no sólo de los parámetros materiales, como masa,
rigidez y amortiguación, sino también en los cojinetes, sujeción y atenuadores. Si cambia la
estructura, aparecen cambios correspondientes en el modo, forma y la amortiguación de la
frecuencia.
Inversamente, esto puede usarse para identificar cambios estructurales por las técnicas de
monitorización de salud estructural. Para identificar una descripción del sistema y derivar los
parámetros modales necesarios, existen múltiples enfoques para OMA: basados en el dominio de
frecuencia (descomposición de dominios de frecuencia, mejorar el dominio de frecuencia
descomposición, ajuste de curva frecuencia dominio descomposición), y basados en el dominio
de tiempo (Stochastic Subspace identificación) [4]. Tras la identificación de picos espectrales
utilizando uno de estos métodos, tiene que dividir los picos espectrales en frecuencias
provenientes de ruido y distorsión periódica (ambos no deseados) o frecuencias estructurales
(deseadas).
Figura 7. Principio del proceso de identificación del sistema usando análisis modal operacional (OMA)
El tren de impulsión fue instrumentado por OMA con sensores de aceleración de tres ejes en
cinco posiciones. La estimación de las frecuencias modales estructurales se realizó utilizando el
método de descomposición de dominio de frecuencia. En el caso de la turbina las señales de
59
aceleración obtenidas son una superposición de frecuencias debido a comportamiento modal y
frecuencias armónicas debido a la rotación del eje, engranajes, cojinetes.
Los resultados de los experimentos hechos hasta el momento muestran excitación de la
estructura por la diferente velocidad de rotación. Así, algunos modos estructurales no pueden ser
reconocidos para cada velocidad de rotación. Diferentes parámetros (por ejemplo, potencia de
señal) en diferentes regiones de la frecuencia (seleccionando sólo las frecuencias estructurales)
fueron calculados y utilizados como parámetros para caracterizar la estructura ensayada. La
aplicación del algoritmo de monitorización para un aerogenerador en funcionamiento exige una
base de datos de referencia adaptada, que debe determinarse en condiciones de operación real
con excitación por los cambios de viento y otras influencias ambientales.
a) f=10Hz-20Hz
b) f=67Hz-83Hz
Figura 8 Firma para “Signal Power” Características por OMA para 2 rangos de frecuencias
El objetivo del concepto de OMA es identificar todos los modos estructurales dentro de los rangos
de frecuencia deseados. Sin embargo, el método depende de la entrada del espectro de
excitación. En teoría, una señal de entrada de ruido blanco (potencia de la amplitud
uniformemente distribuida en el dominio de la frecuencia) es óptimo. Para una turbina de viento,
la señal de entrada varía en función de la velocidad del rotor y la excitación del viento. Para
lograr con éxito la identificación modal se requiere una señal de proceso especializada y una
clasificación antes de aplicar las técnicas de identificación modal OMA.
Para obtener tanto las características como la forma modal se necesitan diferentes posiciones de
medida distribuidas sobre la propulsión. El número de sensores necesarios para una
instrumentación correcta será evaluado durante el curso del proyecto. La figura 9 muestra una
vista general de las posiciones de medida propuestas. Normalmente se usan sensores de
aceleración triaxiales (0-20 m/s²) con un rango de frecuencia de 0-1 kHz y también se utilizan
sensores de velocidad (0-17 mm/s).
60
Figura 2. Posiciones de medida propuestas, el número y la posición exactas dependerá del diseño del
aerogenerador (Aceleración, velocidad, desplazamiento y rpm)
6 EMISIÓN ACÚSTICA.
La emisión acústica (AE) se basa en la generación de ondas elásticas transitorias producida por
una redistribución repentina de la tensión en el material. Cuando una estructura está sometida a
un estímulo externo localizado (cambio de presión, carga o temperatura), se desencadena la
liberación de energía en forma de ondas de esfuerzo, que se propagan a la superficie y son
registradas por sensores. El ensayo mediante AE no requiere suministro de energía al objeto bajo
examen; la AE simplemente se mantiene a la escucha de la energía liberada por el objeto. El nivel
de actividad de la AE durante varios ciclos de carga formará el desarrollo de la firma para el eje
de alta velocidad durante el proceso de entrenamiento. Dicha actividad será monitorizada en la
etapa posterior para determinar la aparición de fallos.
Figura 10 Firma de emisión acústica del eje– señal RMS par baja velocidad (izquierda) alta velocidad (derecha)
Se colocan dos sondas de AE en los ejes de baja y alta velocidad de la WINDMASTER 300 para
el desarrollo de la extracción de las características de la línea base. La característica que se
muestra en los diagramas anteriores es la señal de RMS, que se reunieron en 2 MSPS durante 1
segundo, donde la desviación estándar de la RMS define los límites de condiciones de
61
funcionamiento "normales" de las partes bajo estudio. Otras características también están siendo
monitorizadas con el objeto de detección de averías.
En el proyecto CMSWIND, se montará directamente sobre el eje principal un sistema de Emisión
Acústica (AE) con la finalidad de detectar posibles defectos en este componente.
Como el sistema (sensor y nodo de comunicación) estará unido al eje en rotación no será posible
alimentarlo por medio de una conexión por cable común. A raíz de esto, se utilizará un sistema de
aprovechamiento capaz de proveer de energía al sistema sin conexión externa alguna (wireless).
Módulos
wireless
sensores
Figura 11. Descripción del subsistema con alimentación de energía y comunicación wireless.
Cuando el eje rota, el sistema de AE se alimentará y operará continuamente. Por otro lado,
durante un periodo de parada del aerogenerador el eje no girará y será una batería interna la
encargada de alimentar al sistema. Un cargador de batería integrado se encargará de asegurar el
correcto almacenamiento de energía disponible para estos periodos.
El diseño y construcción del Sistema de Aprovechamiento de Energía ha sido completado para
facilitar el sistema de AE durante la operación de montaje en un equipo rotatorio. El sistema
incluye una batería capaz de durar durante el tiempo de parada del aerogenerador. Las diferentes
partes del sistema fueron identificadas, diseñadas y construidas. También ha sido diseñado y
construido un cargador de batería para recargar la batería del sistema.
El ensamblaje será implantado dentro del sistema Windmaster 300 que fue fabricado por SKM.y
disponible en TWI.
7 SOLUCIÓN ELÉCTRONICA
El hardware necesario para la adquisición de la señal de las tres técnicas ha sido hecho a medida
para las necesidades del proyecto. La arquitectura del sistema utiliza múltiples módulos de
sensores (MCSA, OMA y AE) que muestrea los sensores analógicos a velocidades de hasta
2MSPS. Cada módulo muestrea los sensores para una ventana de tiempo especificado,
almacena temporalmente las muestras y las transmite al servidor vía Ethernet. Se requirió un
desarrollo especial para el módulo de AE, en este caso los sensores están conectados al eje de
rotación de alta velocidad. La necesidad de instalación de hardware de adquisición en las partes
giratorias condujo al desarrollo de hardware personalizado.
62
Figura 11 Hardware CSMWIND
8 DISEMINACIÓN
El conocimiento generado durante en el transcurso del proyecto será difundido, tanto a los
responsables de las pequeñas y medianas empresas que vayan a proveer los nuevos servicios
de inspección, como a los usuarios finales. Esto se llevará a cabo vía “página web” del proyecto,
temarios y directrices para la formación, campañas de concienciación, jornadas técnicas,
publicaciones, comunicados y conferencias.
9 AGRADECIMIENTOS
Las investigaciones llevadas a cabo para obtener estos resultados están financiadas por el
Séptimo Programa Marco de la Comunidad Europea, gestionado por la REA (Agencia Ejecutiva
de Investigación) http://ec.europa.eu/research/rea (FP7-SME-2008-2) según el acuerdo de
subvención nº. 286854.
10 REFERENCIAS
[1.] Description of Work (DOW) of the CMSWind Project, 1 June 2012, Grant Agreement Number
286854.
[2]Mohamed El Hachemi Benbouzid, “A Review of Induction Motors Signature Analysis as a
Medium for Faults Detection”. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.47, No.5, October
2000.
[3] Bin Lu, Yaoyu Li, Xin Wu, Zhongzhou Yang, IEEE 2009: ‘A Review of Recent Advances in
Wind Turbine Condition Monitoring and Fault Diagnosis’.
[4]. T. Jacob, M. Zundel, “Comparison between classic experimental modal analysis and
operational modal analysis using the example of a wind turbine gear box”, VDI-Berichte Nr. 2168,
2012.
63
[5.] Slim Soua, Harris Dimitriadis, Estefania Artigao, Lars Schubert, Emilien Simonot. Project
Deliverable D1.1 "Report on system specifications and selected test wind turbine ". 2012.
[6.] Estefania Artigao, Tat-Hean Gan, Jesus Jimenez, Slim Soua, Tasos Chatziloukas, and Lars
Schubert. Development of a Baseline as a Novel Approach for a Condition Monitoring System for
the Assessment of Wind Turbine Rotating Parts.
[7.] Jesús Antonio Jimenez, Slim Soua and Antonio Romero. Application of Acoustic Emission
signature for the Assessment of Wind Turbine drive train.
64
STI.4
INVESTIGAÇÃO E DESENVOLVIMENTO EM ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS: O CASO DA
FCT-UNL
Telmo Santos1(*), J. Pamies Teixeira1, Rosa Miranda1
1
UNIDEMI, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal
(*)
RESUMO
Neste trabalho pretende-se dar a conhecer as capacidades actuais na área dos END existentes
no Laboratório de END do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial (DEMI) da FCTUNL. Apresentam-se alguns exemplos de investigação e desenvolvimento de sistemas
inovadores de Ensaios Não Destrutivos e suas aplicações. Os exemplos reportados incluem uma
nova técnica de inspeção de micro defeitos superficiais baseada na utilização de células
bacterianas; a caracterização de materiais através da medição do campo de condutividade
elétrica; a concepção, simulação e produção de sondas de correntes induzidas customizadas; a
avaliação da condição estrutural do material compósito GLARE.
INTRODUÇÃO
O progresso técnico-científico de Portugal na área dos Ensaios Não Destrutivos (END) depende,
em larga medida, do intercâmbio de conhecimento no seio da nossa comunidade nacional.
Analogamente, a relevância económica dos END e a nossa afirmação internacional dependem
duma conjugação de esforços e do aproveitamento das nossas complementaridades. As
diferentes entidades nacionais ligadas aos END têm vocações, conhecimentos e recursos
diferentes. É o caso das empresas, laboratórios, organismos de inspeção e normalização,
técnicos certificados, universidades e centros de investigação.
Mas essa complementaridade e diversidade está realmente a ser potenciada? Existe em Portugal
alguma sinergia resultante de uma coordenação de esforços? Os vários agentes ligados aos END
conhecem, pelo menos, as atividades e as capacidades uns dos outros?
Com efeito, a criação do Fórum Setorial de Ensaios Não Destrutivos (FSEND) em Julho de 2008,
e a Conferência Nacional em Ensaios Não Destrutivos vieram contribuir sobremaneira para esse
desígnio, mas é desejável e possível ir mais longe...
Um exemplo dessa falta de articulação é o subaproveitamento das universidades nacionais por
parte da indústria e das empresas de END. De facto, nos últimos 7 anos assistimos a um
aumento muito significativo da qualidade e da quantidade de investigação em END realizada em
várias universidades Portuguesas. O elevado mérito científico dessa investigação tem sido
reconhecido no estrangeiro, nomeadamente através de diversas publicações científicas nas
melhores revistas da área, e através da criação de projetos com empresas internacionais de
renome. No entanto, esse ativo precioso é com frequência subaproveitado: há casos de
empresas nacionais que procuram no estrangeiro conhecimento e soluções que já existem nas
nossas universidades!
65
Nesse sentido, este trabalho pretende contribuir para a visibilidade das universidades no contexto
das atividades ligadas aos END e promover uma troca de conhecimentos, tendo em vista o
desenvolvimento da comunidade técnico-científica de END nacional.
Apresenta-se concretamente o caso do Laboratório de END do Departamento de Engenharia
Mecânica e Industrial (DEMI) da Faculdade de Ciências e Tecnologia (FCT) da Universidade
Nova de Lisboa (UNL).
RESULTADOS
Um dos trabalhos de investigação levado a cabo pelo Laboratório de END do DEMI da FCT-UNL
diz respeito a um método de END para a avaliação da condição estrutural do material compósito
GLARE (Fig. 1).
Fig.1 Representação esquemática da inspecção do GLARE.
Outra área de desenvolvimento está relacionada com a caracterização de materiais soldados ou
processados com base na medição de campos de condutividade elétrica (Fig. 2).
Fig.2 Caracterização de materiais com base na medição de campos de condutividade elétrica.
Serão apresentados outros trabalhos de investigação, nomeadamente uma nova técnica de
inspeção de micro defeitos superficiais baseada na utilização de células bacterianas, e a
concepção, simulação e produção de sondas de correntes induzidas customizadas.
66
AGRADECIMENTOS
Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT-MEC), pelo suporte financeiro no âmbito do
projecto I&D MicroBac (PTDC/EME – TME/ 118678/2010) e PEst-OE/EME/UI0667/2014.
REFERÊNCIAS
Luís S. Rosado, Telmo G. Santos, Pedro M. Ramos, Pedro Vilaça, Moisés Piedade, A new dual
driver planar eddy current probe with dynamicaly controlled induction pattern, NDT & E
International, 2015;
Telmo G. Santos, R. M. Miranda, Carla C. C. R. de Carvalho, A New NDT Technique Based on
Bacterial Cells to Detect Micro Surface Defects, NDT & E International, 63, pp. 43-49, 2014;
L. Matos Filipe, Telmo G. Santos, S. Valtchev, J. Pamies Teixeira, R. M. Miranda, New method
employing the electrical impedance for monitoring mechanical damage evolution in glassreinforced: Applications to riveted joints, Materials & Design, 42, pp. 25-31, 2012;
Telmo G. Santos, R. M. Miranda, Pedro Vilaça, J. Pamies Teixeira, Jorge dos Santos,
Microstructural Mapping of Friction Stir Welded AA7075-T6 and AlMgSc Alloys Using Electrical
Conductivity, Science and Technology of Welding and Joining, 16(7), pp. 630-635, 2011
67
STI.5
DESENVOLVIMENTO DE TECNOLOGIAS E CAPACIDADES PARA A INSPECÇÃO DE
ESTRUTURAS COMPÓSITAS AERONÁUTICAS
Daniel Leitão1(*), Liliana Silva2, Nuno Pedrosa3, André Cereja4
1, 2, 3, 4
Instituto de Soldadura e Qualidade, Oeiras, Portugal
(*)
RESUMO
A utilização cada vez mais massiva de materiais compósitos, nas mais diversas indústrias, leva à
necessidade de existirem profissionais preparados e vocacionados para realizar inspecções e
ensaios neste tipo de materiais. Estando o ISQ ciente desta realidade, procurou--se com este
projecto dotar o centro de competência do ISQ para as áreas de NDT dos meios materiais e
conhecimento, para que consórcio do projecto COMPINSPECT, possa fornecer à indústria
serviços de inspecção com alto valor acrescentado, nomeadamente na área dos ultra-sons
utilizando tecnologia de Phased-Array, que não estão disponíveis em empresas congéneres.
INTRODUÇÃO
A
inspecção
de
materiais
compósitos,
nomeadamente
do
tipo
CFRP
CarbonFiberReiforcedPolymer, apresenta dificuldades que normalmente não existem na
inspecção dos materiais metálicos. À elevada atenuação e anisotropia acústica presente nestes
materiais, associada a elevada complexidade geométrica deste tipo de componentes, requer a
utilização simultânea por um lado de dispositivos de inspecção que permitam acomodar essas
geometrias, e por outro lado requer a utilização de algoritmos adaptativos que permitam
acomodar os diferentes tipos de geometria das peças.
A título de exemplo, apresenta-se o problema de inspecção de um reforço fabricado em CFRP,
que apresenta diferentes superfícies a serem inspeccionadas, nomeadamente, superfícies planas
com diferentes orientações, superfícies côncavas e convexas.
Figura 1. Inspecção de uma superfície convexa
Um dos maiores desafios de inspecção neste tipo de componentes são os raios de concordância.
Uma solução seria utilizar uma sonda de Phased Array cuja forma geométrica permitisse
inspeccionar estes raios. No entanto, este tipo de soluções requer por um lado de uma sonda
específica para cada tipo de componente, e por outro lado apresenta constrangimentos
importantes relativamente à precisão do seu alinhamento.
68
Na figura 1.ilustra-se a inspecção de uma superfície convexa composta de CFRP com cerca de
3mm de espessura. Para realizar a inspecção utilizou-se uma sonda de Phased Array matricial
com 5MHZ. A sonda é composta por uma matriz 16x4 com uma área activa de 12.7x4.7 mm. A
coluna de agua foi ajustada a 20mm entre a sonda e a peça.
O algoritmo mede inicialmente os tempos de voo entre cada elemento da sonda e a superfície da
peça. Na iteração seguinte, estes tempos de voo serão utilizados para calcular a lei focal que irá
ser utilizada durante a segunda iteração. A lei focal utilizada na emissão será calculada de acordo
com a expressão seguinte:
𝑬𝒊 (𝒋+𝟏) = ∙ �𝑴𝒂𝒙�𝒕𝒊(𝒋) � − 𝒕𝒊 (𝒋) �-𝑬𝒊 (𝒋)
j: número de iteração
i: numero do elemento (cristal)
𝑹𝒊 (𝒋+𝟏) = �𝑴𝒂𝒙�𝑬𝒊(𝒋+𝟏) � − 𝑬𝒊 (𝒋+𝟏) �
j: número de iteração
i: numero do elemento (cristal)
𝟏
𝟐
Durante a recepção, será aplicada uma lei focal que permita sincronizar todos os sinais
recebidos, de acordo com a seguinte expressão
A figura 2 ilustra o princípio de funcionamento deste tipo de algoritmos numa superfície complexa:
Figura 2. Utilização de algoritmos adaptativos na inspecção de uma superfície convexa
RESULTADOS E CONCLUSÕES
Na figura 3, apresenta-se uma imagem com aquisição de dados realizado ao longo de todo o
reforço, utilizando algoritmos adaptativos. Na mesma imagem sobrepôs-se os dados obtidos a
partir de uma aquisição realizada sem utilizar algoritmos adaptativos. Neste caso, verifica-se que
grande parte das descontinuidades (delaminações a azul) encontradas não são detectadas ao
longo do raio de concordância. Esta nova metodologia de ensaio permite controlar superfícies de
geometria variável sem comprometer a detectabilidade de eventuais descontinuidades utilizando
uma única sonda de Phased Array.
Figura 3.C-Scan obtido na inspecção do reforço de CFRP utilizando algoritmos adaptativos
69
AGRADECIMENTOS
Os autores expressam o seu agradecimento à Agência Nacional de Inovação (ANI) pelo incentivo
concedido no âmbito do contrato nº 30311, Projecto COMPINSPECT.
REFERENCIAS
S. Robert, O. Casula, O. Roy, G. Neau. Real-Time Inspection of Complex CompositeStructures
With a Self-Adaptive UltrasonicTechnique. WCNDT 2012
D. Hopkins, G. Neau, L. Le Ber, Advanced Phased-Array technologies for ultrasonic inspection of
complex composite parts. International Workshop Smart Materials, Structures & NDT in
Aerospace Conference NDT. Canada, 2011
N. Dominguez, G. Ithurralde, Ultra-fast ultrasonic inspection for aeronautical composites using
paintbrush acquisitions and data processing on GPU. European Conference on NDT, Moscow,
2010.
70
SESSÃO TÉCNICA II
STII.1
ADVANCED PHASED ARRAY ULTRASONIC TESTING ON ALUMINIUM RING OF WIND
TURBINES
Liliana Silva1(*), Daniel Leitão2, Nuno Pedrosa3
1, 2, 3
(*)
INTRODUCTION
In order to increase the current reliability levels of wind turbines the wind energy industry will have
to successfully implement new and efficient maintenance operations and strategies which will
reduce to an absolute minimum equipment-related failures and associated costs. Throughout
Europe wind farm operators conduct several tests in some type of turbines which have been
equipped with a particular type of blade’s root joint structure. A catastrophic failure of the blade’s
root joint called Aluminium Ring, presents an enormous cost for wind farm operators and
population.
The joint between the hub and the blade for a particular type of wind turbines is made by a ring of
aluminium which has presented a faulty design concept. This joint under fatigue load condition
leads to a presence of fatigue cracks which cause the break of the blade’s root joint and the wind
turbine loses the blade.
Figure 1 – In Langedijk, Holland a wind turbines loses the blade of 23m length and with almost 3 tonnes which
broke off and landed on one of the national road. [Cortesy of ® Truus Weda]
RESULTS AND CONCLUSIONS
The Nondestructive Testing Laboratory of ISQ developed an inspection procedure using an
advanced NDT technique which presents a higher probability of detection then the conventional
methods and allows the detection of crack initiation and its evolution during the remaining life
period.
Phased Array Ultrasonic Testing system developed by ISQ presented extraordinary results on
detection of very small fatigue cracks in this type of component.
73
Figure 2 – A faulty design concept of the structure leads to an initiation of fatigue cracks on the sharp cornersof
the joint.
The Nondestructive Testing Laboratory of ISQ developed an advanced system specifically for the
blade’s root joint inspection, which has the advantages of no blade disassemble needed, the
inspection is done on site, on top of the tower and presents a high level of accuracy in the defect
detection and evaluation.
Figure 3 – ISQ Phased Array Ultrasoniv Testing developed system
REFERENCES
Tavner, Xiang and Spinato 2006. “Reliability analysis of wind turbines”. Wind Energy in press.
DOI: 10.1002/we.204. Published online by Wiley Interscience, John Wiley and Sons 2006.
Obdam T. et al 2007. “Estimating Costs of Operation and Maintenance for Offshore Wind Farms”.
European Offshore Wind Energy Conference 2007.Berlin.
Mobley K. et al. 2008. “Maintenance Engineering Book”. Seventh Edition. Mc Graw Hill. New York
2008
Rademakers L. et al 2003. “R&D needs for O&M of wind turbines”. ECN Wind Energy publications
“Phased array ultrasonics inspection of wind turbine aluminium blade roots - Case Study”, TWI
Ltd, United Kingdom
74
STII.2
PRINCÍPIO TECNOLÓGICO DO ENSAIO E O VALOR ACRESCENTADO À INSPECÇÃO PELA
UTILIZAÇÃO DA TÉCNICA DE EMISSÃO ACÚSTICA (EA)
Rui Mendes1
ISQ – Instituto de Soldadura e Qualidade, Oeiras, Portugal
1
A metodologia dos ensaios de Emissão Acústica (EA) baseia-se na utilização de equipamentos
electrónicos de aquisição de sinais de alta velocidade e de sensores de alta frequência para
registarem os deslocamentos produzidos pelas ondas elásticas decorrentes de fenómenos de
propagação de danos na estrutura solicitada.
Os sistemas possuem uma velocidade e resolução suficiente para assegurarem uma
monitorização em tempo real da evolução dos defeitos.
Pela colocação dos sensores de forma organizada, em conjunto com uma programação baseada
na velocidade de propagação das ondas em tempo real podemos localizar em tempo real as
fontes de EA, separar as fontes de EA relevantes, das fontes causadores de ruídos, e aplicar
critérios de avaliação, atribuindo um grau de severidade á localização.
Pela sua integração em planos de inspecção, oferece a possibilidade de detectar os danos nos
materiais de forma global, em temperatura, pressão, e nas condições reais de serviço. Permite
reduzir riscos de danos estruturais devido às cargas aplicadas pelos ensaios hidráulicos e
contribui para a redução dos custos de exploração pelos reduzidos tempos de indisponibilidade
dos equipamentos e de preparação dos ensaios.
75
STII.3
®
INOVAÇÃO BUREAU VERITAS ATRAVÉS DO SISTEMA SHAFTEST , NA MANUTENÇÃO
INDUSTRIAL
Pedro Capelinha, Jordi Romeu, Pedro Oliveira, Guy Cotreril
(Bureau Veritas)
A fiabilidade de um equipamento e seus componentes críticos é
essencial para manter a rentabilização de qualquer unidade
industrial.
Essa rentabilidade é incrementada quando se aumenta a vida útil do
equipamento e dos seus componentes mais dispendiosos, e pode
ser decisiva na avaliação do rendimento operativo da unidade.
O sistema de inspeção digital Shaftest® da Bureau Veritas,
destinado à inspecção de veios e pernos, sem a necessidade de
desmontagem do equipamento, ajuda à equipa responsável pela
manutenção dos equipamentos, a garantir a fiabilidade dos mesmos
e dos equipamentos associados, e desta forma permitir o aumento
do tempo entre paragens e prevenir potenciais falhas de rotura deste tipo de elementos.
A inspecção manual, com recurso a ultrasons, de veios e pernos em serviço, apresenta algumas
desvantagens associadas. Habitualmente o acesso está restrito apenas aos seus topos,
introduzindo dificuldades de interpretação dos ecos e sinais obtidos derivados da própria
geometria desses elementos. Em grande parte das vezes, o operador acaba por decidir sobre a
sanidade ou não do veio baseado na sua experiência em situações similares.
O sistema Shaftest® permitie eliminar as dúvidas sempre que se tenha de inspeccionar eixos de
rotação no local, mediante as técnicas convencionais de ultrasons aliadas a uma ferramenta
simples de CAD.
Figura 1 - Desenho do Veio Inspeccionado
Diferenciando-se do sistema convencional, o Shaftest® regista de uma forma exaustiva e digital
todos os dados obtidos ao longo do comprimento do veio/eixo.
Uma análise cruzada dos ecos obtidos com o desenho do veio possibilitam uma imagem real e
tridimensional da sua integridade, permitindo conscientemente alargar intervalos de manutenção
e/ou seu período de vida útil.
76
Os dados obtidos nesta inspeção poderão ser armazenados digitalmente e utilizados como
comparação na avaliação da integridade do elemento inspeccionado numa próxima intervenção.
Na imagem anterior são apresentados os diversos ecos obtidos ao longo das diversas posições
delineadas no extremo do veio.
São destacados ecos isolados, que definem, fora das zonas de mudança de secção, eventuais
defeitos na constituição do veio, representados no diagrama da secção tranversal a vermelho.
77
STII.4
DESENVOLVIMENTOS EM REFLECTOMETRIA DE PULSO ACÚSTICO (RPA) PARA A
INSPEÇÃO NÃO INVASIVA DE FEIXES TUBULARES.
Acácio Lima 1, Daniel Bobrow2
Gerente e Responsável Técnico END de AJL Testing Laboratory ; Professor Convidado - FEUP
2
Gerente de Negócios Ibero Americano da Accoustic Eye
1
ABSTRACT
O desenvolvimento de métodos acústicos para a detecção de descontinuidades, tem vindo a ter
um fortíssimo avanço, graças ao tratamento de sinal cada vez mais rápido e eficiente. O ruido
normalmente associado a estes métodos é devidamente avaliado e tratado, sendo neste
momento possivel obter relações sinal / ruido satisfatorias para muitas aplicações.
O tema abordado é um dos casos de sucesso em aplicações que se pretendem céleres e com
uma fiabilidade elevada, e com especial aplicação em tubulares de equipamentos em serviço.
SUMÁRIO
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Defeitos típicos nas tubagens (em serviço)
Métodos convencionais de detecção de descontinuidades em tubulares .
Princípios físicos da Refletometria de Pulso Acústico
Tecnologia associada ao RPA
Características fundamentais do RPA, vantagens e limitações
Assinaturas de descontinuidades no RPA
Equipamento e técnicas utilizadas
o Sonda acústica
o Unidade de medição e controlo
o Características do equipamento e acessórios
o Operação e mapeamento de descontinuidades
8. Apresentação de casos
9. Custos e benefícios do método
10. Normas / documentos de apoio e futuros avanços ( DUET)
11. Referências
1.
DEFEITOS TÍPICOS EM TUBAGEM (SERVIÇO)
São apresentados seguidamente os defeitos comuns, e que na generalidade ocorrem em
tubulares em serviço afectando o desempenho dos equipamentos e do processo produtivo.
78
Defeito
Aspecto típico
Sujidades , obstruções
Perda de parede por
corrosão ou erosão
Perfurações
Abaulamento por fluência
(creep)
Fissuras e roturas
FIGURA 1 : Tipos de anomalias comuns em tubulares
79
2.
MÉTODOS CONVENCIONAIS
TUBULARES
DE
DETECÇÃO
DE
DESCONTINUIDADES
EM
Correntes induzidas (ET), para materiais não-ferromagnéticos.
Campo Remoto (RFET), para materiais ferromagnéticos.
Videoscopia ótica.
IRIS – ultrasons.
Testes pneumáticos e hidráulicos
Testes de fuga alta sensibilidade.
Figura 2 : Sistema de correntes Eddy e IRIS para avaliação estado de tubulares
Cada um dos métodos tem vantagens e desvantagens, considerando as suas limitações, em
geral, qualquer um dos métodos convencionais , (para alem dos testes pneumáticos / hidráulicos
ou de fugas, que em geral não determinam a localização das anomalias) , têm as seguintes
características:
o
o
o
o
o
o
3.
São invasivos
Difíceis em tubos curvos (em U)
Muito lentas
Dependem do material do tubo
Requerem blocos de calibracão
Requerem para operar pessoas altamente treinadas e qualificadas
PRINCÍPIOS FÍSICOS DA REFLETOMETRIA DE PULSO ACÚSTICO
Nota :
Para uma compreensão exaustiva dos princípios físico / matemáticos da RPA aconselhamos
leitura da refª bibliográfica 1 e 2).
Um pulso acústico injectado em um tubo de paredes rectas de comprimento semi infinito,
propaga-se no interior do mesmo sem gerar quaisquer reflexões. Este pulso pode ser avaliado
80
montando um pequeno microfone com a sua face nivelada à parede interna do tubo através do
orifício do tubo. O microfone captará o pulso somente se este atravessar o seu diafragma . Se
entretanto, o pulso encontra uma descontinuidade na secção recta do tubo, é criada uma
reflexão. A amplitude e forma da reflexão são determinadas pelas características das
descontinuidades: uma constrição – redução de área da secção recta- cria uma reflexão positiva,
enquanto que uma dilatação da secção recta – cria uma reflexão negativa. Nenhuma destas
descontinuidades mudará a forma do pulso na sua vizinhança, mas a reflexão medida pelo
microfone será uma réplica atenuada e distorcida do pulso injectado, devido às perdas durante a
propagação. Um furo na parede do tubo, por outro lado, criará uma reflexão com forma mais
complicada, dado que é influenciada pelo tamanho do furo e pela radiação da energia para o
espaço exterior ao tubo.
Os exemplos esquemáticos são apresentados na Figura 3 abaixo:
Pulso de entrada
Reflexão de obstrução
Reflexão de dilatação
Reflexão de perfuração
Figura 3 : Aspecto dos pulsos de emissão e reflexão básicos.
Embora alguma energia acústica presente no pulso inicial seja reflectida nas descontinuidades,
parte dessa energia continua a propagar-se pelo tubo. Quaisquer outras descontinuidades criarão
mais reflexões. Portanto, o diagnóstico do estado interno do tubo é uma questão de interpretação
correcta dos reflexos que são captados pelo microfone. Há um aspecto simples de interpretar que
é o tempo de chegada de uma reflexão, tal pode ser usado para calcular a localização exacta da
descontinuidade, uma vez que tais reflexões propagam-se à velocidade do som. Há um segundo
aspecto da interpretação que é mais complicado, pois envolve inferir a natureza exacta da
descontinuidade, que tem a sua assinatura no sinal da reflexão. Num sistema prático a forma de
pulso reflectido é influenciada e limitada pelas capacidades do transdutor, por conseguinte, a
forma é mais complicada do que a apresentada no exemplo esquemático na Figura 1. O sistema
conceptual descrito acima tem de ser traduzido para um sistema real que pode ser implementado
no laboratório antes de poder tornar-se uma ferramenta útil. Esse esforço está feito e continua
a ser aperfeiçoado, por forma a simplificar a acção de interpretação dos sinais, pelo operador /
técnico.
Um sistema prático RPA requer um transdutor para criar o pulso inicial, e um microfone que mede
esse pulso e as reflexões subsequentes.
81
Figura 4 : Layout de um Sistema RPA
A construção de um sistema RPA apresenta várias dificuldades práticas, a saber:
#1. Forma do Pulso: idealmente, o pulso a ser usado seria de largura zero e amplitude infinita, o
qual não é claramente viável. Na prática, o pulso deve ser tão estreito quanto possível no tempo e
com o mínimo de “zumbido” possível, tal que significa uma formato largo e plano quanto possível
no domínio das frequências usadas.
#2. Falsas reflexões provenientes do transdutor: como reflexos de falhas propagadas de volta da
traseira do sistema e que atingem o transdutor após passar o microfone que para baixo do
sistema, eles colidir com o transdutor depois de passar sobre o microfone. Estes sinais podem ser
erroneamente interpretados como reflexões provenientes de outras falhas.
#3. Sobreposição de sinais: O maior problema que ocorre em um sistema RPA é a sobreposição
entre os sinais de propagação de direita e esquerda. As reflexões falsas que retornam do
transdutor podem sobrepor-se sobre as captadas pelo microfone e do tubo estas provenientes de
falhas, criando mais uma vez problemas de interpretação.
#4. Interpretação do sinal: recolher todos os sinais acima e interpretá-los correctamente é um
problema complexo em si, requerendo treinamento adequado do interpretador / avaliador.
Existem várias soluções para os problemas acima mencionados, alguns deles tratados na
literatura científica. Um dos principais obstáculos para a utilização de sistemas RPA em campo,
tem sido a solução para os problemas # 2 e # 3 (reflexões de transdutores e subsequentes
sobreposição de sinais). Examinando a Figura 5, os tubos de S1 e S2, chamada de "tubos" de
origem, localizados em cada lado do microfone, são concebidos com extensão mais longa quanto
possível. Isso permite que os reflexos das falhas no tubo sejam captadas pelo microfone antes
que os reflexos do transdutor sejam criados. Tais tubos são muitas vezes de vários metros de
comprimento, dependendo do comprimento do objecto a ser examinado. Isto faz com que o
sistema global passa a ser extremamente volumoso e inconveniente para os ensaios de campo.
Para o uso de equipamento em campo são então usados métodos de interpretação do sinal que
são explicitados em literatura, e que basicamente assentam no processo chamado de
"reconstrução do furo " Neste procedimento, as reflexões a partir do sistema examinado são
processadas para obter uma reconstrução completa do furo interno do tubo medido. Isso pode
parecer o ideal, mas, infelizmente, esse método está associada a instabilidades numéricas que se
82
tornam mais pronunciadas quando o tubo a examinar se torna mais longo. Então o investimento
em ferramentas numéricas poderosas é o caminho para ultrapassar as dificuldades enumeradas.
A Acoustic Eye possui ferramentas numéricas capazes de não tornar impeditivo o uso da
tecnologia RPA como ferramenta de diagnóstico em tubulares, aperfeiçoando continuamente o
sistema.
4.
TECNOLOGIA ASSOCIADA AO RPA
Figura 5: Injecção de pulso acústico
Figura 6: Reflexão em descontinuidades
Injecta-se no tubo um pulso acústico de banda larga
(0~8 KHz).
Qualquer descontinuidade origina um reflexo que tem
uma assinatura própria
Algoritmos identificam a localização, tipo e tamanho dos defeitos.
As dificuldades e desafios para obter resultados fiáveis prendem-se com:
o
o
o
o
As reflexões de pequenos pontos de corrosão são muito pequenas e facilmente
envolvidas no ruído, necessitando de ter relação SNR tem que ser ~ 100dB para
detectar algumas delas.
Reflexões múltiplas: é necessario separar as ondas que se propagam para a frente
daquelas que propagam-se para trás.
Os impulsos precisam ser muito curtos, caso contrário, as reflexões de defeitos
sucessivos ficam sobrepostas.
Um impulso único contém muito pouca energia.
Melhorias conseguidas passam por :
o
o
o
Excitação : Usando um pseudo ruído chamado Sequências de Comprimento Máximo ;
Permite injetar uma grande quantidade de energia em um curto espaço de tempo (bom
SNR)
A forma do pulso adequada para o hardware em um circuito fechado : permite um pulso
muito estreito.
Os tubos encurtam vários centímetros : Através de procedimentos patenteados,
reflexos indesejados podem ser removidos.
83
Figura 7 : Esquema das melhorias estudadas e implementadas
5.
CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO RPA, VANTAGENS E LIMITAÇÕES
Aplicação
Interior de tubos de equipamentos de processos
Defeitos detectáveis
Obstruções, perfurações, aumento de diâmetro interno (por
corrosão, erosão, fluidez térmica)
Principais vantagens






Limitações




6.
NÃO INVASIVA: sem sondas ou palpadores
Extremamente RÁPIDA: 5 a 10 segundos por tubo.
Independente do MATERIAL e da CONFIGURAÇÃO do
tubo
FÁCIL de aplicar: pouca capacitação, consistência na
interpretação
Detecta somente defeitos internos e perfurações.
Faixa de diâmetros até 4” e comprimentos de até 24
metros
Não detecta falhas no diâmetro externo
Não detecta fissuras não superficiais
Precisão moderada no dimensionamento da perda de
parede | sem resolução circunferencial
Sensível à limpeza
ASSINATURAS DE DESCONTINUIDADES NO RPA
Cada defeito tem seu gráfico / assinatura característico(a), A localização, o tipo e o tamanho do
defeito são identificados pelo sistema de software: Ver Figura 8.
84
Figura 8 : Assinaturas típicas de descontinuidades
Capturas reais no ecrã:
Figura 9: Perfuração
Figura 10: Deterioração de parede
Figura 11 :Obstrução parcial
7.
EQUIPAMENTO E TÉCNICAS UTILIZADAS
7.1 Sonda acústica, Unidade de medição e controlo, Características do equipamento e
acessórios.
O modelo da Acoustic Eye : DOLPHIN G3 representa o estado de arte actual nas aplicações de
RPA em tubulares, sendo basicamente uma sonda acústica portátil, como resumidamente se
descreve no seguimento.
85
SONDA ACÚSTICA




Microfone
Microfone
Alto-falante
Adaptadores para tubos de até 4” DI
Extensores para permitir acesso em situações
especiais (cabeçotes de arrefecimento de ar, placas
de tubos recuadas)
Figura 12: Sonda acústica Dolphin G3
UNIDADE DE MEDIÇÃO E CONTROLE






Computador ligado à sonda portátil
Software AcousticEye
Configuração da sessão
Monitorização da sonda
Gravação e análises de dados
Peso total com maleta 18Kg ; Dimensões 56 x 45.5 x
26.5 cm
Figura 13: Unidade de medição e controle
ADAPTADORES / EXTENSORES
 Adaptadores para tubos de 8 a 102 mm
 Extensores feitos sob medida para alcançar pontos de
difícil acesso (cabeçotes, canais, …)
 Comprimento total do extensor padrão: 457mm
 O jogo padrão inclui 7 tamanhos, para tubos de 5/8”,
3/4” , 7/8”, 1”, 1 1/8”, 1 ¼”, 1 ½” de diâmetro externo
Figura 14: Adaptadores e extensores
7.2 Operação: Efectuada em 3 passos descritos em seguida.
1
Ajuste / Preparação (mapa, parâmetros)
2
Medição e colecta de dados
3
Análise de dados e geração de relatório
86
Alti-falante
Adaptador para tubos
Figura 15: FASE 1: MAPEAMENTO DE TUBOS
Figura 16: FASE 1: ANOTAÇÃO DE PARÂMETROS
87
Figura 17: FASE 2: MEDIÇÃO
Figura 18 : FASE 3: ANÁLISE DE RESULTADOS
O software identifica todos os defeitos, o operador verifica os resultados
88
Figura 19 : FASE 3: GERAÇÃO DE RELATÓRIO
8.
APRESENTAÇÃO DE CASOS
Apresentaremos dois exemplos (realização em ambiente real) entre já largas centenas de casos
de serviços efectuadas, com taxas de sucesso elevadas atendendo às características do método
e condicionantes de campo.
1º Industria metalúrgica (Venezuela Forno de pré-aquecimento - Redução de Gás)
Dimensões dos Tubos,
DI = 4½" (115 mm)
Material
Liga de Fe-Ni-Cr resistente ao calor
Figura 20
# de Tubos
22
Tempo de Inspeção
15 minutos
Figura 21
89
Resultados:
 Perda de parede foi detectada e verificada positivamente.
 Áreas sem defeitos foram verificadas com videoscopia (sem falsos negativos).
 A equipe de engenharia do cliente recomendou a RPA como uma técnica de triagem para
ser complementada por TU e TR em apenas tubos suspeitos.
 Usando a RPA pode-se reduzir drasticamente os tempos de inspeção e outros custos
(apenas o andaime custa $60.000 USD).
Figura 22: Resultados e relatório
90
2º NITRÓGENO CANTARELL (MÉXICO): Arrefecedor de ar por água do mar
Dimensões dos Tubos,
3/4” x 1 mm
Material
Aço inox superduplex
Hastelloy C-276
Figura 23
# de Tubos
3180 tubos, dois permutadores
Tempo de Inspeção
14 horas
Figura 24
Resultados:



189 tubos perfurados, <0,4mm de diâm.
10 tubos com alvéolos (pitting)
5 tubos obstruídos
Comentários:
Recomendações verificadas por videoscopia, testes pneumáticos e hidrostáticos.
A RPA substitui os testes pneumáticos, tomando 14 horas ao invés de 212 horas.
Figura 25 : Resultados em relatório (parcial)
91
9.
CUSTOS E BENEFÍCIOS DO MÉTODO
A avaliação do custo / benefício do usufrutuário do serviço de RPA, é simples de equacionar, o
comparativo deverá tomar em consideração os seguintes factores de custo;
Nota : Deve atender-se às limitações indicadas em § 5
a)
Montagem de acessos
b)
Disponibilização de fluidos e energia
c)
Desmontagem e montagem de equipamento
d)
Limpeza dos espelhos e tubulares no interior
e)
Tempo de preparação do ensaio
f)
Desgastes de equipamento e acessórios de ensaio
g)
Tempo de paragem do equipamento para ensaio
h)
Tempo de análise de resultados
i)
Tempo para elaboração do relatório
j)
Qualificação do operador de campo
k)
Experiências e qualificação do técnico de interpretação
l)
Custo de serviços de empresa 3ª Laboratório NDT
RPA
Outros métodos
Sim
Sim : similar
Não
Sim em geral
Sim
Sim : similar
Sim
Sim para métodos intrusivos
Pouco relevante
Elevado, em geral
Insignificante
Muito significativo
Muito baixo
Estimado 10 a 20 x mais.
Médio
Irrelevante
Médio / alto depende do
método.
Em geral relevante
Necessária mas
simples.
Necessária
Necessária e em alguns
métodos custosa.
Necessária : similar
Médios.
Elevados / muito elevados
no caso de Eddy e IRIS
Existentes em geral para
hardware e software.
Existentes
(software).
m) Custo para actualização do método
Atendendo ao exposto na tabela o ensaio usando RPA apresenta fortes argumentos,
principalmente em verificações de manutenção, onde o tempo fora de serviço do equipamento e a
rapidez de intervenção é fulcral para a economia das empresas, tornando-se quase irrelevante os
custos associados ao ensaio, em especial se efectuado por empresas já com experiência no
método.
A adopção destes métodos, pode produzir também e atempadamente indicações de avarias, que
após reparação, reporão as condições iniciais de rendimento (nomeadamente térmico) que
estavam perdidas, beneficiando a eficiência do processo.
92
10. NORMAS / DOCUMENTOS DE APOIO E FUTUROS AVANÇOS (DUET)
a) Normas / documentos de apoio
Sendo um método e técnica emergentes, a normalização está em desenvolvimento, no entanto o
documento / norma ASTM E2906 / E2906M – 13: Standard Practice for Acoustic Pulse
Reflectometry Examination of Tube Bundles, apoia e reconhece as aplicações do RPA (APR),
tratadas anteriormente como se pode verificar na sua introdução:
1. Âmbito
1.1 Descrição da prática no uso da tecnologia RPA ou Acoustic Pulse Reflectometry (APR) para
exame de superfícies interiores de tubulares em feixes tubulares de permutadores, caldeiras,
aquecedores de ar e reactores, durante as paragens e manutenção.
1.2 A finalidade do ensaio RPA (APR) é detector, localizar e identificar descontinuidades tais
como perfurações, perda interior de espessura e ou erosão assim como bloqueios totais ou
parciais. RPA (APR) não é efectivo para detectar fissuras pouco abertas.
1.3 A tecnologia RPA (APR) usa a emissão de ondas sonoras através do ar no interior do tubular,
detectando e registando reflexões criadas pelas descontinuidades ou bloqueios. A análise do da
fase inicial (positive ou negative) e da forma da onda acústica reflectida é usada para identificar o
tipo e localização da descontinuidade que causou a reflexão.
1.4 Quando são usados métodos apropriados de tratamento de sinal e análise de dados, a
tecnologia RPA (APR) pode ser usada para o dimensionamento das descontinuidades ou
bloqueios.
b) Futuros avanços (DUET), na fase de validação final
MODOS DUPLOS DA REFLECTOMETRIA DE PULSO
Combinando Acústica com Ultra-som ( técnica parente das ondas guiadas)
o
o
o
sonda injeta ao tubo dois tipos de pulsos simultaneamente
Ecos gerados por defeitos são registrados e analisados
Algoritmos especíais identificam e relatam a localização, o tipo e o tamanho dos
defeitos
Reflectometria de Pulso Acústico (RPA)
Propagação por o ar no interior do tubo
Reflectometria do Pulso Ultra-sônico (RPU)
Propagação por o próprio material do tubo
Figura 26 : Combinação RPA + RPU (principio)
93
SINERGIA DE RPA + RPU – UM OLHAR MAIS ATENTO
11. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Condenser Tube Examination using Acoust ic Pulse Reflectrometry (Proceedings of
POWER2008 - ASME Power 2008 - July 22-24, 2008, Orlando, Florida, USA
Autores : Noam Amir / Noam Amir / Amir Yefet / Tal Pechter : AcousticEye Ltd. Tel Aviv, Israel
2.Acoustic pulse reflectometry for the measurement of musical wind instruments ( Thesis) :
Autor : David Brian Sharp PhD University of Edinburgh 1996.
3.Forum Acusticum 2005, Detection, location and sizing of multiple leaks in ducts
Autores : Victor Chilekwa, David Sharp
94
STII.5
VALUE CREATING
INSULATION
NDT
METHODOLOGY
FOR
ACCESSING
CORROSION
UNDER
Sergio Ferreira Dias1(*), Dr. César Buque2
1,
TÜV Rheinland Portugal, Rua Dr. António Loureiro Borges, n.º 9, 3.º, 1495-131 Miraflores, Algés – Portugal
2,
TÜV Rheinland International, Am Grauen Stein 1, 51105 Cologne, Germany
(*)
ABSTRACT
This Paper addresses the Corrosion under the insulation problem, which is expected to occur in
under most circumstances in industrial plants such as power plants, Onshore and Offshore Oil &
Gas installations, Petrochemical sector, Paper fabrication plants. Effective CUI assessment and
management requires a proper CUI recognition and mitigation that involve various competencies
available at TÜV Rheinland and including corrosion assessment, inspection, non-destructive
testing as well as risk and safety evaluation. Screening and monitoring of insulated piping and
vessels can be of great value in increasing plant availability by avoiding unexpected leaks and by
helping to schedule turnarounds effectively. The authors give a recommendation of a mitigation
and assessment strategy as well as describe a number of NDT solutions and the value that they
add to plant owner in relation to corrosion under insulation assessment, which helps reduce cost,
increase productivity, and minimize plant shutdowns. The suggested methods work side by side in
a complementary manner.
INTRODUCTION
Corrosion under insulation (CUI) is a commonly occurring problem in a large number of
industries and covering different types of assets including piping systems and pressure vessels in
onshore and offshore environment. The most severe form of CUI is the localized corrosion that
often occurs in carbon and low alloy steel. Main cause is water that is absorbed by or collected in
the insulation. CUI is often not managed effectively although its consequences can be devastating
even leading to a complete plant shutdown for a certain period of time. The main reason is that
CUI is difficult to locate as insulation cover typically masks the underlying substrate corrosion until
it is too late. In short, CUI presents a major threat to asset integrity, because it can is detrimental
to the integrity of the object suffering from it if not detected early enough. Traditional
methodologies are expensive and often not a viable solution to go. Furthermore it is an extremely
expensive exercise to operationally remove insulation for visual inspection, particularly in cold
service or where asbestos maybe involved. A well-defined NDT methodology combined with a risk
based approach is of high added value to the end users in that the facility can remain in operation
and remain as profitably and safely as possible.
The authors will show that it is not necessary to shut down the entire plant or a portion of it to
perform CUI assessment. Following the methodology presented here helps to avoid collateral
costs associated to scaffolding erection and insulation removal. The presented methodology starts
with a fit to purpose risk based analysis of the CUI issue, by taking into account the processes, the
materials involved and the expected damage (corrosion) mechanisms. This Risk based analysis
95
leads to the identification of a set of NDT solutions required to properly address the different types
of CUI issues. The evaluation of the collected NDT data is then used to make a set of
recommendations related to the integrity of the object inspected. The NDT solutions applied are
typically complementary to each other and applicable during service.
METHODOLOGY FOR CUI ASSESSMENT
A proper CUI Strategy involves the definition and the strategy to properly deal with the CUI issue
under taking into account the different circumstances of occurrence. Our approach starts with the
risk assessment of each insulated component and definition of the individual CUI risk and the
identification of the targeted NDT solution and inspection schedule for that component. TÜV
Rheinland specialists help document the CUI issue properly and to identify the root cause of
potential CUI failures. The specialists are also trained to provide failure assessment for legal or
internal requirements. Above mentioned expertize paired with our extensive Non Destructive
Testing (NDT) and materials analysis expertise allows us to deliver a comprehensive CUI service
which can be engaged at any stage of a CUI lifecycle.
The well-known risk based approach to setup inspection plans is recommended also for effective
CUI assessment and management. When doing the RBI for CUI for the first time risks will not be
known; at least not to a bigger extent as it would be required for an appropriate RBI Assessment.
Insulated pipe systems will have to be assessed in order to determine the risk levels and the
associated inspection plans. In most practical situations it will be impossible to conduct such an
effort on all insulated systems at once. A prioritization will be required mainly due to limited
resources and budget. TUV Rheinland specialists can help to set up a unit level prioritization that
shall help to prioritize the RBI efforts for the different insulated systems. By doing so one will
generally be able to direct RBI efforts to those insulated systems that feature the highest risks for
operations.
Once the units have been prioritized with respect to CUI failure it is recommended to challenge
carefully the need for insulation. It is obvious that the best way to eliminate CUI is to eliminate
insulation. The RBI-CUI methodology recommended here makes use of actual operational and
structural conditions of insulated systems, and not the designed conditions. Typically the RBI-CUI
approach consists of a condition assessment of insulated systems (by the use of complementary
NDT methods and potential damage analysis assessment), a risk level determination according to
the probability of CUI failure and the consequence of CUI failure, and the resulting CUI inspection
plan based on that risk level. Once established this inspection plan contains a set of NDT methods
that are complementary to each other and that are to be used on specified times. The RBI-CUI
plan as such is to be used periodically to assess the condition of the insulated systems, where the
frequency and extent of NDT inspection efforts will depend on the risk level determined. It is a
dynamic RBI process that takes into account future NDT inspection results to reassess and adjust
the initial risk levels: This dynamic process might lead to an adjustment of the initial risk levels and
so to less spending and reduced risks.
96
NDT METHODS FOR CORROSION UNDER INSULATION ASSESSMENT
Pulsed Eddy Currents – PEC
Pulsed eddy current equipment (PEC) is based on electromagnetic properties and its being
successfully used in the industry for the detection and semi-quantitative sizing of CUI. PEC´s top
advantage is the ability to detect general wall thinning in insulated objects without removing the
insulation and without preparation. The technology is characterized by its large penetration depth,
relatively low sensibility to lift-off. PEC is to be seen as a complementary solution to other NDT
solutions for CUI. PEC has been used in a number of different applications, including skirts of
process columns, the supports of spherical storage tanks, various types of insulated Pipe and
insulated vessels in On- and offshore. Most of these objects are covered with fireproofing for
various reasons. Water ingress may cause corrosion underneath the covering. The deterioration
process cannot be seen from the outside. Using PEC to indicate the affected areas can lead to
significant cost reduction in particular because far before a turnaround has to be performed, the
system shows clearly the fewer areas that need follow-up and less insulation needs to be
removed. Companies like Shell, and in Portugal REPSOL, rely today also on this technology for
their CUI protection and assessment programs.
Fig. 1. Inspection of the caisson in progress. The
PEC probe is submerged in the water and is
connected via a long cable to a PEC instrument
onboard the platform.
Fig. 2. Result of a PEC inspection: wall thickness in mm
as function of vertical and circumferential position. The
plot is color coded to highlight differences in wall
thickness.
97
Guided waves – GW
Guided waves is one of the key complementary technologies for the assessment of corrosion
under insulation of long lengths of pipe. Typically it uses low frequency guided ultrasonic waves
that propagate along the pipe wall and has the ability to detect external or internal corrosion. The
technology requires insulation is removed however only in a very small circumferential location
that is used to attach the ring with the ultrasonic sensors onto the pipe. On this way long lengths of
difficult to access pipe can be examined from a single location with minimal preparation and
without further removing the insulation. A test range of 50m or more (25m in each direction) is
commonly obtained from a single transducer position.
Guided Waves technology is often used to assess CUI on Sleeved Road Crossings, Buried Pipe,
Wall Penetrations, Pipe Racks, Corrosion Under Supports, Offshore Risers & Caissons, Location
of Previously Unrecorded Welds, Subsea Lines and similar.
Guided waves technology is sometimes affected by signal attenuation, which directly influences
the inspectable pipe distance. The causes leading to signal attenuation arise from several sources
such as follows: material attenuation, due to the use of high loss coatings such as bitumen as
insulation material; scattering that may be produced by general corrosion; signal reflections from
features as welds; mode conversion at bends and branches.
There are cases where the cost of gaining access to the pipes can far outweigh the cost of
inspection. Whenever it is anticipated that multiple inspections will need to be performed at the
same location, a set of guided waves sensors (but also PEC sensors) can be deployed
permanently. An additional advantage of permanently mounted guided waves sensors is the
consistency of future inspections in terms of accurate condition monitoring.
Real Time Digital Radiography
This technology makes use of a radiation source and a X-Ray detector (often an linear array of
radiation detectors), which are positioned to each other such that a n on-stream x-ray inspection
can be done resulting in an real time imaging of potential anomalies under the insulation. With this
technology, both internal and external corrosion defects on stretches of pipe can be detected while
the pipe remains in service without removing any insulation. As the unit and/or scanner are
positioned onto the pipe, X-Ray data are acquired and displayed on the monitor in real time.
Straight piping segments as well as locations with bends and elbows can be inspected using this
technology. The system is sensitive enough to detect corrosion defects as small as 0.25 inch in
diameter and 0.05 inch deep.
Most recently newer lightweight digital x-ray technologies have introduced to the market. Those
systems are characterized by extremely low radiation levels and only a very small area of
operation has to be cordoned off to carry out the procedure compared with conventional
radiography techniques. Operations can continue with minimal disruption to ongoing adjacent
activity. These newer units project real-time digital video images onto a handheld LCD and headmounted display. The imager itself is highly sensitive minimizing required levels of X-ray energy.
This ensures that whole tool it is both safe to hand-hold. The image is continuously presented,
allowing rapid in-motion scanning of pipes through a range of material densities. These include
carbon/stainless steel, cast iron products, aluminum, plastics, and composite materials.
98
SUMMARY
Corrosion-under-insulation refers is a major common problem that occurs in all power plants
nuclear and/or fossile, refining, onshore and offshore industrial installations. CUI has been the
cause of various major economic and safety accidents originating from leaking pipes in high risky
areas. A proper way to deal with CUI starts with an strategic CUI-risk based assessment followed
by the identification of CUI inspection plans and the implementation of NDT work aimed at
identifying the real condition of the pipes and/or vessels under consideration. NDT technologies to
be applied are complementary to each other and their selection depends on a number of factors
such as location, material, type of insulation, type of expected corrosion degradation etc.
Specialists of TUV Rheinland can help throughout all the phases of CUI assessment.
ACKNOWLEDGMENTS
The authors gratefully acknowledge the support with various colleagues from TÜV Rheinland
Group.
REFERENCES
Steven Henderson, RBG USA. Inspection technology addresses corrosion under insulation. E&P.
2010
Baldev Raj, T. Jayakumar, M. Thavasimuthu. Woodhead publishing Limited. Practical Nondestructive Testing
99
STII.6
DEVELOPMENT OF AN AUTOMATED INSPECTION SYSTEM FOR HIGH TEMPERATURE
APPLICATIONS
Gonçalo Silva1*, José P. Sousa2, Nuno Pedrosa3, João Gonçalves4, Pedro Barros5, Paulo Meirelles6
1, 2, 3, 4,5, 6
(*)
ABSTRACT
This work consists in the development of an integrated platform of inspection and continuous
monitoring of critical components operating at high temperature conditions using advanced
ultrasonic techniques as EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducers) and Phased Array.
The system will integrate in a single platform an automated scanning system which combines a
capability to cover the total critical volume of the component and a continuous monitoring module
with automatic defect interpretation capability.
INTRODUCTION
One of the industries main purposes is the evolution of the quality control and the increase of the
equipments reliability; in particular those that are critical in terms of availability and that are subject
to tough operational conditions.
In this type of equipments, there are those that work at high temperatures and which need to be
stopped to be inspected.
The inspection of these equipments is made during normal scheduled maintenance operations,
representing critical points from de point of view of maintenance costs and equipment availability
rates.
To reverse this situation, this work concentrates in the development of an automated inspection
system to inspect components at high temperatures allowing their quality control while they are
working, without having the need to stop them.
Two inspection systems were developed, one for EMAT and another one for Phased Array.
At the end of the acquisition both systems will present a 2D thickness mapping.
The EMAT system developed is a scanner with magnetic refrigerated wheels that automatically
adjust to any surface geometry. It has an EMAT probe protected by a PEEK and a metal case
which have an angular adjustment. The base consists of a ceramic material that isolates the
scanner from the high temperatures. This system has four pneumatic cylinders that will help the
user to remove the scanner from the equipment surface.
100
In Fig. 1 is represented the EMAT system.
Fig.1 EMAT Inspection System
The Phased Array system is a PEEK probe-holder which is refrigerated with the help of a metal
base and isolates the probe from the high temperatures. The couplant used is an oil that resists
these temperatures. The probe is not in contact with the surface so the water used to refrigerate
the probe it is also used for the immersion technique.
In Fig.2 is represented the Phased Array system.
Fig.2 Phased Array Inspection System
ACKNOWLEDGMENTS
The authors gratefully acknowledge the funding by Agência Nacional de Inovação (ANI) under the
grant nº 33853, HIITRUST Project.
REFERENCES
F Hernandez-Valle and S Dixon, Pulsed electromagnet EMAT for ultrasonic measurements at
elevated temperatures, NDT 2010, the 49th Annual British Conference on NDT, Cardiff, UK,
September 2010, p. 96-99.
Frederic B. Cegla, Peter Cawley, Jonathan Allin, and Jacob Davies, High-Temperature (>500°C)
Wall Thickness Monitoring Using Dry-Coupled Ultrasonic Waveguide Transducers, IEEE
Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 58, no. 1, January 2011,
p.156-167.
S.E. Burrows, Y.Fan, S.Dixon, High temperature thickness measurements of stainless steel and
low carbon steel using electromagnetic acoustic transducers. NDT&E International 68, 2014,
p.73–77.
101
SESSÃO TÉCNICA III
STIII.1
EDDY CURRENT EVALUATION OF FATIGUE CRACK DEPTHS IN PLANAR METALLIC NONFERROMAGNETIC MATERIALS
Artur Lopes Ribeiro1(*), Helena Geirinhas Ramos1, Dário Jerónimo Pasadas1 and Tiago Jorge Rocha1
1
Instituto de Telecomunicações, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Portugal
(*)
ABSTRACT
This work estimates the depth of cracks using the eddy current method. After detection of one
crack the material surface is scanned. The eddy currents are excited in the material using a
special planar coil to produce a spatially invariant primary field. The secondary field, due to the
eddy currents is measured using a high sensitivity giant magneto-resistor sensor. It is
experimentally demonstrated that the maximum amplitude of the field perturbation due to the
presence of a defect correlates with the depth of the crack.
INTRODUCTION
In this paper we use the eddy current method [1] to characterize cracks that have been machined
on aluminium plates of the kind usually found in aerospace vehicles. The eddy current method has
been widely used for a long time. Nowadays, with a large number of aged aircrafts in use, the nondestructive methods related to airplane maintenance continue being one of the most important
ways to detect and characterize flaws in metallic non-ferromagnetic materials. Other methods are
used to detect open aging fatigue cracks such as dye penetrants, thermography, radiographic
methods, ultrasonic testing, acoustic emission or magnetic flux leakage.
Our probe [2] is depicted in Fig.1. With sinusoidal excitation it produces a spatially uniform
magnetic field. Thus, the primary excitation field is invariant [3] under small translations.
Fig.1 The planar probe induces parallel eddy currents in the central zone.
The giant magneto-resistor (GMR) sensor is seen on the upper surface.
The probe is mounted on a xy-positioning system which permits to scan the area over one crack.
The giant magneto-resistor (GMR) signal is amplified, filtered and measured in amplitude and
phase in relation to the excitation. The data obtained when seven cracks with different depths,
105
made in aluminium were scanned is represented in Fig.2. It is assumed that the crack’s
orientations are known. Thus, the probe is mounted in order to induce eddy currents that are
directed perpendicularly to the cracks’ lines. The better results were obtained when the field
component was in the same direction of the primary magnetic excitation. The problem of
separating a small perturbation from the primary excitation was solved.
Fig.2 Output of the GMR sensor when the plate was scanned. In this case, the measured
component of the magnetic field is parallel to the primary excitation field. The excitation current, in
all experiments, is always perpendicular to the crack’s lines.
y / mm
0.6
40
0.4
0.2
60
100
50
150
200
450
400
350
300
250
x / mm
Amplitude / V
1
0.8
20
Fig.3 Two-dimensions representation of the GMR voltage output when the measured component of the
magnetic field is parallel to the primary excitation field.
1.4
1.2
Amplitude / V
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Depth of defect / mm
3
3.5
Fig.4 GMR output peak voltage for the seven cracks, with the measured field parallel to the crack.
106
ACKNOWLEDGMENTS
This work was developed under the Instituto de Telecomunicações projects KeMANDE and
OMEGA and supported in part by the Portuguese Science and Technology Foundation (FCT)
projects: PEst-OE/EEI/LA0008/2013, SFRH/BD/81856/2011 and SFRH/BD/81857/2011.
REFERENCES
[1] A. Lopes Ribeiro, D. Pasadas, H. G. Ramos, T. Rocha, "Determination of Crack Depth in
Aluminum Using Eddy Currents and GMR Sensors", Proc Review of Progress in Quantitative
Nondestructive Evaluation - QNDE, Boise, United States, Vol. 1, pp. 372 - 372, July, 2014.
[2] O. Postolache, A. Lopes Ribeiro, H. G. Ramos, "GMR array uniform eddy current probe for
defect detection", Measurement, Vol. 46, No. 1, pp. 4369 - 4378, December, 2013.
[3] A. Lopes Ribeiro, D. Pasadas, H. G. Ramos, T. Rocha, "Using Excitation Invariance in the
Characterization of Defects by Eddy Current Image Constructions", Proc. International Conf. on
Structural Integrity - ICONS, Kalpakkam, India, February, 2014.
107
STIII.2
USING A MOUSE AS A POSITIONING DEVICE IN AN HANDHELD DETECTOR OF SUBSURFACE CRACKS
Helena Geirinhas Ramos1,2(*),Tiago Rocha 1,2, Dário Pasadas1,2, Artur L. Ribeiro1,2
1
Instituto de Telecomunicações, Lisboa, Portugal
2
Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal
(*)
ABSTRACT
This work presents a handheld instrument built at our laboratory able to detect sub-surface cracks
in a plate of conductive material. The instrument has a probe composed of an excitation coil, a
giant magnetoresistance sensor (GMR) acting as the magnetic field sensor and includes a
computer mouse pointer as positioning system. This configuration, despite its low cost, allows
better performances in the detection of sub-surface defects than commercial equipments. Deeper
defects in the material can be detected due not only to the high sensitivity of the GMR sensor,
which is constant in a very large frequency range (10 Hz – 1 MHz), but also because a precisely
located graphical representation of the defect is delivered to the user due to the incorporated
positioning system.
The paper includes a detailed description of the implementation, the obtained results and a
performance comparison with commercial equipment.
INTRODUCTION
Non Destructive Testing (NDT) of conductive plates offers an exciting and interesting challenge to
both researchers and applied technologists. NDT assumes an important role in the evaluation of
materials integrity in several industries as petrochemical, aerospace or atomic power. For this
kind of materials, the major problem of interest is the detection, location and sizing of single cracks
and eddy current testing (ECT) is a commonly used method.
ECT method is characterized by inducing eddy currents inside a conductive media (e.g.
conductive plates) using an AC magnetic field generated by an excitation coil and the
measurement of the induced magnetic filed either using detection coils or magnetic sensors.
Because the induced eddy current flow depends on the electromagnetic characteristics and profile
of the media, one can evaluate the material characteristics of media corresponding to its
electromagnetic characteristics and detect the presence of anomalies from the measured signal.
Advantages of ECT include a rapid inspection speed, a high sensitivity for surface cracks and a
minimal preparation of the surface to be inspected. The main drawbacks are, its applicability only
to conductive material and the difficulty in determining deeply embedded defects. This weakness
is quite minimized with the utilization of a new kind of magnetometer sensors that are replacing the
traditional detection coils of the ECP-probes still in use in most commercial devices. One of these
magnetic sensors are the “giant” magnetoresistance (GMR) [1-3] with good sensitivity values that
are constant in a large frequency range [1 Hz; 1MHz] and directional properties that also
108
recommend GMR sensors as one of the best solution to be a part of the probe for applications on
cracks and flaw detection.
This paper presents the implementation of a simple system that uses sinusoidal excitation,
detection using a giant magnetoresistance (GMR) sensor, and localization using a single computer
mouse. The system’s main advantages are its low complexity in obtaining relevant signal
parameters, low cost and portability, all due to a simple, yet effective, processing system. The
ECT instrument developed at the laboratory is able to give a representation of the magnetic field
amplitude and phase, given the probe position and the defect signature. The experimental results
from the developed system are compared with the ones produced by a commercial equipment.
The commercial equipment is extremely sensitive and can detect all defects within regulated
standards. However its cost is high when compared with the measuring system presented in this
paper. Besides, the developed system includes a positioning device based on computer mouse
pointers which provide a graphical representation of the magnetic field amplitude and phase
according to the probe position. This is a useful and low cost tool in defect analysis [4].
Figure 1 represents the image obtain in the display of a computer when the ECT probe makes a
linear scan over a machined crack. The mouse and probe were moved, following a linear path
perpendicular to the crack line and passing over its center. The amplitude and the phase
measurements as a function of position are depicted on the top of the figure, while the graph
bellow depicts the correspondent crack signature obtained with the developed system. The crack
dimensions are 2 cm of length and 1 mm of width.
Figure 1. Fig.1 Amplitude, phase and phasor graphic plots.
This study shows that the handheld prototype is able to combine the low cost requirements with a
good detection of surface and subsurface defects. The instrument is also capable of locating
defects and transmit the measurement data to a PC for further processing. The location of the
probe position assures enough accuracy for the work objectives and is well adapted to the
simplicity requirement for the signal processing algorithms.
109
ACKNOWLEDGMENTS
This work was developed under the Instituto de Telecomunicações, project EvalTubes and
supported in part by the Portuguese Science and Technology Foundation (FCT) projects: PEstOE/EEI/LA0008/2013, SFRH/BD/81856/2011 and SFRH/BD/81857/2011. This support is
gratefully acknowledged.
REFERENCES
[1] T. Dogaru, S. T. Smith, “Giant magnetoresistance-based eddy-current sensor” IEEE
Transactions on Magnetics, vol. 37, pp. 3831–3838, 2001.
[2] A. Lopes Ribeiro, H. Geirinhas Ramos, “Inductive Probe for Flaw Detection in non-Magnetic
Metallic Plates Using Eddy Currents”, Proc. I2MTC-IEEE International Instrumentation and
Measurement Technology Conference, Victoria, Canada, pp.1447-1453, May 2008.
[3] A. Bernieri, G. Betta, G. Rubinacci, F. Villone, “A Measurement System on Magnetic Sensors
for Nondestructive Testing”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 49,
No.2, pp. 445-459, April 2000.
[4] L. Kufrin, A. L. Ribeiro, H. G. Ramos, “Eddy Current Image Normalization in NDT of Aluminum
Plates”, Proc. I2MTC-IEEE International Instrumentation and Measurement Technology
Conference, Austin, EUA, pp.1101-1105, May 2010.
110
STIII.3
CONCEÇÃO, SIMULAÇÃO E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE SONDAS DE CORRENTES
INDUZIDAS PARA ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS DE GEOMETRIAS TUBULARES
Miguel Machado1, Rosa Miranda2, Nuno Pedrosa3, Telmo Santos4
1, 2,4
UNIDEMI, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal
3
Instituto de Soldadura e Qualidade, Portugal
RESUMO
O objetivo central deste trabalho foi desenvolver e validar experimentalmente diferentes tipos de
sondas de correntes induzidas para a deteção de micro defeitos no interior de componentes de
geometria tubular, com vista a reduzir o limiar de detetabilidade dos defeitos com orientação
tangencial, e assim aumentar a fiabilidade de inspeção.
INTRODUCÃO
Os Ensaios Não destrutivos de (END) por Correntes Induzidas (CI) são uma das principais
técnicas utilizadas na inspeção de tubagens, nomeadamente em caldeiras e permutadores de
calor. Apesar de ser uma técnica comum e com muitos anos de experiência acumulada, existem
algumas condições onde persistem dificuldades, como é o caso da deteção de micro defeitos com
orientação tangencial. Por outro lado, assiste-se atualmente a uma exigência cada vez maior do
ponto de vista da fiabilidade dos sistemas e sondas de CI. Um exemplo particular dessa exigência
é a inspeção de um perfil com geometria tubular em aço inox 316LN (JK2LB), o qual constitui as
bobinas poloidais do International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER).
Foram concebidas, produzidas e validadas experimentalmente quatro novas sondas de CI e
foram replicadas três configurações já existentes. Foram realizadas simulações numéricas das
diferentes sondas, sob diferentes condições de inspeção e criaram-se os meios laboratoriais
adequados para a realização dos END.
Os resultados experimentais mostraram que as novas sondas desenvolvidas permitem detetar
com clareza defeitos tangenciais com 2 mm de comprimento e 0.5 mm de profundidade, o que
está tipicamente abaixo do limiar de detetabilidade das sondas convencionais constituídas por
bobinas toroidais. As simulações numéricas permitiram descrever e caracterizar com sucesso
alguns fenómenos elétricos e magnéticos envolvidos no funcionamento das sondas. Em termos
genéricos, foi estabelecido um importante conhecimento processual dos END por CI de
geometrias tubulares.
As sondas inovadoras desenvolvidas no âmbito do presente trabalho são constituídas por bobinas
sensíveis espirais trapezoidais planas em substrato flexível (Fig. 1) e enrolamentos para a
excitação, funcionando assim em modo de reflexão. Foram produzidas três sondas com
orientações diferentes do enrolamento de excitação: axial (Fig.2), tangencial e helicoidal.
111
Na Fig.3 encontra-se uma comparação entre o resultado da simulação numérica e o resultado
experimental ao inspecionar um defeito tangencial com 2 mm de comprimento 0,2 de espessura e
0,5 de profundidade numa amostra do tubo do ITER de aço inox 316LN (JK2LB) com um
diâmetro interior de 35 mm. A sonda utilizada é constituída pelo enrolamento de excitação
helicoidal. Apesar de a leitura ser absoluta, o sinal corresponde a um sinal característico das
sondas diferenciais, isto é devido à configuração geométrica da sonda, nomeadamente devido à
fato de a excitação ser realizada por um filamento exterior (reflexão) e de as CI serem
perturbadas, pela presença dos defeitos, de forma simétrica e em relação ao centro das bobinas
sensíveis. Isto provoca uma troca de sinal da tensão induzida e consequentemente um sinal do
tipo diferencial. A simulação numérica revelou-se coerente face ao resultado obtido
experimentalmente conforme ilustrado na Fig.3. De referir que os resultados estão apresentados
em termos relativos.
Fig.1 Bobina sensível espiral trapezoidal plana.
Fig.2 Sonda com excitação axial.
Na Fig.4 encontra-se representada uma inspeção com a sonda de excitação tangencial a três
defeitos tangenciais com 2, 4 e 8 mm de comprimento respetivamente. Os sinais dos três defeitos
encontram-se perfeitamente definidos e em proporções coerentes com as dimensões dos
defeitos. Note-se que, a deteção de defeitos com a mesma orientação das correntes induzidas é
o caso extremo.
Fig.3 Ensaio a 500 kHz.
Fig.4 Ensaio a 500 kHz.
As configurações com leitura nas bobinas espiral trapezoidais e excitação independente, modo
reflexão, obtiveram resultados claramente melhores do que a sonda comercial, utilizada para o
efeito presentemente, assim como as três sondas replicadas de configurações já existentes. O
defeito mais pequeno presente no tubo do ITER foi detetado com uma relação sinal/ruído
excelente não permitindo a existência de quaisquer dúvidas da sua existência. Estas sondas
possibilitam ainda, com o equipamento indicado, a leitura individual de cada bobina sensível
permitindo conhecer a localização circunferencial do defeito.
REFERÊNCIAS
Miguel Machado; Conceção, Simulação e Validação Experimental de Sondas de Correntes
Induzidas para Ensaios Não Destrutivos de Geometrias Tubulares, Tese de Mestrado, Faculdade
de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Lisboa, 2014.
112
STIII.4
NOVA TÉCNICA DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS BASEADA EM CÉLULAS BACTERIANAS
Telmo G. Santos1(*), Patrick Inácio1, Alexandre Costa1, R. M. Miranda1, Luísa Quintino2, Pedro Vilaça3, M T F Vieira4, A P
Piedade4, A.R. Farinha4, Carla C.C.R. de Carvalho5.
1
UNIDEMI, Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de
Lisboa, 2829-516 Caparica, Portugal
2
IDMEC, Instituto de Engenharia Mecânica, Av. Rovisco Pais, 1, 1049-001 Lisboa, Portugal
3
Department of Engineering Design and Production, School of Engineering, Aalto University, Finlândia.
4
CEMUC (Group of Nanomaterials and Micromanufacturing), Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra, 3030788 Coimbra, Portugal
5
Institute for Bioengineering and Biosciences (IBB), Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa, Av. Rovisco Pais,
1049-001 Lisboa, Portugal.
(*)
RESUMO
Neste trabalho apresenta-se uma técnica inovadora de Ensaios Não Destrutivos (END) baseada
em células bacterianas. A técnica visa a deteção de micro defeitos superficiais, nomeadamente
em peças produzidas por microfabricação. Os resultados experimentais mostram que é possível
detetar micro defeitos artificiais em forma de indentação piramidal com profundidades de 1.2 µm,
3.2 µm, 2.0 µm e 1.8 µm em aço inoxidável AISI 304L, liga de alumínio AA1100, cobre, e Ti6Al4V,
respectivamente. A deteção de defeitos de referência do bloco padrão Tipo 1 ISO 3452-3, cuja
espessura é aproximadamente 1 µm também foi possível.
INTRODUÇÃO
Um novo paradigma surgiu na área dos Ensaios Não Destrutivos (END) com o aparecimento de
novos materiais e tecnologias de produção, como por exemplo a microfabricação, cuja evolução
não tem sido acompanhada por um desenvolvimento consentâneo de novas técnicas de END.
Neste trabalho apresenta-se uma nova técnica baseada na utilização de suspensões de células
bacterianas (CB) para a deteção de micro e nano defeitos superficiais. A utilização de CB deve-se
à sua capacidade para aderir preferencialmente às irregularidades superficiais como rugosidades
e fissuras. Contrariamente aos END por Líquidos Penetrantes, as células bacterianas possuem
atributos biológicos, e desta forma pretende-se explorar algumas propriedades como a sua
reduzida dimensão (< 1 µm), a elevada capacidade de penetração, a mobilidade, a aderência, a
reprodutibilidade e morte. Além disso é possível corar CB com corantes fluorescentes e aproveitar
a sua susceptibilidade a campos magnéticos e elétricos.
A metodologia de ensaio da nova técnica é semelhante à usada nos Líquidos Penetrantes. As CB
são depositadas sobre a superfície e durante o tempo de penetração e adesão das CB podem ser
utilizados campos magnéticos ou eléctricos com o intuito de promover a mobilidade e penetração
da bactéria no defeito. Após esta etapa o excesso de bactérias pode ser removido por agentes
bactericidas, luz ultravioleta ou por meios mecânicos. A visualização das CB nos defeitos pode
ser feita por microscopia de fluorescência. Por fim um revelador (meio de crescimento) pode ser
utilizado para aumentar a concentração das bactérias presentes nos defeitos, permitindo a
identificação dos defeitos a olho nu.
113
Neste trabalho, foram produzidos micro defeitos superficiais utilizando um micro indentador
Vickers e criaram-se matrizes de defeitos com diferentes dimensões em diferentes materiais de
engenharia como o aço inoxidável AISI 304L, a liga de alumínio AA1100, o cobre, e o Ti6Al4V por
forma a avaliar a viabilidade da nova técnica. Também foram inspeccionadas peças
microfabricadas por Powder Injection Moulding (PIM) contendo micro defeitos reais e defeitos de
referência do bloco padrão Tipo 1 ISO 3452-3, cuja espessura é aproximadamente 1 µm.
Foram inspeccionados provetes com defeitos artificiais e reais, aplicando campo eléctrico ou
magnético na fase de penetração das bactérias aos defeitos. Foi utilizada a bactéria
R. erythropolis DCL14 que apresenta propriedades eléctricas e magnéticas. São apresentadas
algumas imagens dos ensaios nos provetes com defeitos artificiais e reais na Figura 1 e na
Figura 2, respectivamente.
a)
b)
c)
d)
Figura 1 – Inspeção de provetes com defeitos artificiais: a) Provete de alumínio; b) Geometria do
defeito artificial c) Imagem de microscópio após remoção do excesso; d) Observação a olho nu
após revelação.
a)
b)
c)
Figura 2 – Inspecção de provete com defeitos reais: a) Provete fabricado por PIM; b) Imagem de microscópio
após remoção do excesso; c) Imagem SEM.
Na Tabela 1 é apresentado o limiar de detectabilidade para provetes com defeitos artificiais em
alumínio, cobre, aço e titânio.
114
Tabela 1 – Limiar de detectabilidade utilizando a nova técnica END baseado em células
bacterianas.
Campo aplicado
Profundidade do defeito (h) e lado (L): [h/L] (µm)
Alumínio
Cobre
Aço
Titânio
Eléctrico
1.7/8.4
2.0/9.7
1.9/9.7
4.3/21.1
Magnético
1.7/8.4
5.0/24.6
1.2/5.71
1.8/9.1
Os resultados mostram que a metodologia é viável para a identificação de defeitos com
profundidades superiores a 1,7 μm na liga de alumínio, 2.0 μm no cobre, 1.2 μm no aço e 1.8 μm
na liga de titânio. A técnica mostrou-se igualmente eficaz na detecção de defeitos reais em
provetes fabricados por PIM, tendo-se observado que as CB aderem preferencialmente às
irregularidade (Figura 2c) ). Comprovou-se que é possível e útil tirar partido das propriedades das
bactérias, e que as diferentes variantes da metodologia são adequadas a esse fim.
AGRADECIMENTOS
À Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, I.P.), pelo suporte financeiro concedido a este
trabalho no âmbito do projecto I&D MicroBac (PTDC/EME – TME/ 118678/2010). CCCR de
Carvalho agradece o apoio no âmbito do programa “Investigador FCT 2013”.
REFERÊNCIAS
T G Santos, R M Miranda and C C C R Carvalho. A new NDT technique based on bacterial cells
to detect micro surface defects, NDT & E International, April 2014, Vol 63, pp 43-49.
115
STIII.5
METODOLOGIA PARA VALIDAÇÃO DA EXPERIÊNCIA DOS TÉCNICOS DE ENSAIOS NÃO
DESTRUTIVOS QUE TRABALHEM NOS SETORES AERONÁUTICO E INDUSTRIAL
Diogo Duarte; Sérgio Nascimento; José Ferreira
CANEND . Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos
RESUMO
Os trabalhos em Ensaios Não Destrutivos (END) no Setor Aeronáutico e setores industriais,
embora com base nos mesmos métodos e técnicas são, na sua essência substancialmente
diferentes, e os sistemas de Qualificação e Certificação de Pessoal regem-se por normas de
certificação diferentes para os dois casos. Efetivamente, enquanto que os setores industriais
exigem que a Certificação dos seus técnicos seja de acordo com a norma EN:9712 (WEE/46,
2012), o setor aeronáutico define que os sistema de qualificação e certificação de pessoal deve
ser regido pela norma EN:4179 (CEN - European Comitee for standardization, 2009).
A necessidade de transição de técnicos de END com experiência num Setor específico para
trabalhar no outro é uma realidade cada vez mais frequente face à crescente competitividade e
exigência dos mercados que forçam diversas organizações a procurar trabalhos diferentes e mais
diversificados, permitindo assim explorar novos mercados.
Para o Setor Aeronáutico, a norma EN:4179 (CEN - European Comitee for standardization, 2009)
define os requisitos de formação e de experiência necessários para que os técnicos atinjam
condições das certificações internas das organizações, permitindo a certificação interna dos
técnicos com base em experiência documentada em outras organizações, deixando a validação
dessa experiência ao critério no N3 responsável da organização.
Efetivamente, no mundo competitivo em que os END hoje se posicionam esta é uma necessidade
de análise crítica que surge com cada vez mais frequência aos Níveis 3 das Organizações que se
vêem forçados a tomar decisões, sem qualquer suporte normativo que os oriente.
116
Não obstante as diferenças entre os Setores, existem alguns pontos de contato que são
relevantes e que não devem deixar de ser tomados em consideração nesse tipo de análise, cujo
impacto é elevado quer na Segurança, quer na competitividade das Organizações
Este trabalho consiste na apresentação de uma metodologia de avaliação da experiência prévia
de técnicos com certificações de acordo com a Norma EN: 9712 (WEE/46, 2012) para o a
atribuição de certificações internas no Setor Aeronáutico, de acordo com o método de ensaio e
com o tipo de experiência relevante para os trabalhos em causa.
O trabalho visa constituir uma referência para suporte às decisões dos Níveis 3 que verta uma
posição concertada do Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos que, não sendo
vinculativa, deverá orientar os Níveis 3 na tomada de decisão de forma coerente e transversal ao
Setor.
Palavras Chave: Metodologia, experiência, certificação de Pessoal, Setor Aeronáutico, Setor
Industrial, competetividade das organizações
INTRODUÇÃO
A norma EN 4179 (CEN - European Comitee for standardization, 2009) e o Regulamento Europeu
CE 2942/2003, Anexo II – Parte 145 (CE, 2003) pressupõem a existência de Comités Científicos
responsáveis por legislar e controlar os Centros de Formação e Examinação em END em cada
país. O CANEND surgiu em 2006 como entidade reguladora desta actividade a nível Nacional,
sendo reconhecida pelo Instituto Nacional de Aviação Civil (INAC) e pela Força Aérea
Portuguesa 1 como a entidade tecnicamente responsável por essa regulamentação (INAC, 2007).
O Comité é composto presentemente por 5 membros efetivos que representam as Organizações
com maiores valências técnicas e materiais em Ensaios Não Destrutivos para o Sector
Aeronáutico em Portugal (OGMA, SATA, FAP, TAP e Aerohélice), e tem como membros
observadores representantes das Autoridades Nacionais de Aviação Civil e Militar, (INAC Instituto Nacional de Aviação Civil e AAN - Autoridade Aeronáutica Nacional), contando ainda
com o ISQ (Instituto da Soldadura e Qualidade) como membro honorário.
Na realização de Ensaios Não Destrutivos no sector aeronáutico, a sensibilidade das inspecções
(capacidade de detecção de defeitos) depende essencialmente da proficiência dos técnicos na
aplicação dos métodos e técnicas de ensaio, que é garantida por um exigente sistema de
Qualificação e Certificação de Pessoal cujos requisitos são definidos na norma Europeia EN
4179. Estes requisitos têm de estar reflectidos nas normas internas de todas as Organizações
que realizam acções de manutenção em aeronaves para assegurar que os Ensaios Não
Destrutivos feitos nas aeronaves nacionais e internacionais respeitam os mesmos critérios e são
feitos por técnicos autorizados de acordo com a mesma base de Formação, Qualificação e
Certificação.
1
Presentemente este papel deixou de ser exercido pala Força Aérea Portuguesa para ser exercido pela
Autoridade Aeronáutica Nacional (AAN).
117
Adicionalmente, o sistema de Ensaios Não Destrutivos implementado nas Organizações que
realizam END no setor Aeronáutico é da responsabilidade dos Níveis 3 das Organizações, sendo
que faz parte desse sistema, a qualificação e certificação interna de Pessoal END.
Face à importância que a regulamentação e o controlo da formação dos técnicos assume nesta
atividade, a actuação do Comité desde 2006 tem-se centrado: na avaliação e no reconhecimento
técnico dos Níveis 3 das Organizações; e no reconhecimento de Centros de Formação e
Examinação internos e externos que reúnam as condições necessárias para ministrar formação e
examinação de acordo com os requisitos da norma EN 4179 e no reconhecimento de
examinadores que possuam qualificações, certificações e experiência adequadas à administração
de exames EN 4179.
Figura 1 - Actuação do Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos
Capítulo 1: Sistema de Qualificação e Certificação em END no Setor Aeronáutico em
Portugal
O processo de Qualificação e Certificação de pessoal em Ensaios Não Destrutivos é um processo
exigente que assenta essencialmente em dois pilares: formação e experiência.
Quando não existe um NANDTB, estes processos são da total responsabilidade dos Níveis 3 das
organizações, que têm de zelar pelo total cumprimento dos requisitos da norma EN 4179.
Com a criação do Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos em 2006, parte
destas responsabilidades passaram a ser assumidas pelo Comité, que iniciou uma atividade de
análise e de validação dos diversos sistemas de qualificação e examinação usados pelas
organizações, com o intuito de emitir diretivas respeitantes a quais os sistemas que tecnicamente
asseguravam os requisitos da norma EN4179, facilitando o trabalho dos Níveis 3 das
Organizações e das entidades legisladoras (INAC e AAN).
118
1.1 Reconhecimentos dos Centros de Formação e Examinação em END para o Setor
Aeronáutico
De acordo com os Estatutos do CANEND no que concerne ao controlo que deve realizar nas
organizações de formação e qualificação de pessoal de forma a satisfazer os requisitos da
EN4179 e do regulamento CE 2042/2003 anexo II – 145.A.30 relativos à existência do NANDTB
(National Aerospace Non Destructive Testing Board) Português, é formada uma comissão,
composta por um mínimo de dois elementos membros efetivos do CANEND, que se fará deslocar
à organização requerente para avaliar o sistema de formação e examinação de acordo com o
procedimento do CANEND – P003 (CANEND, 2010).
Nesta comissão terá de existir um coordenador com formação e experiência na realização de
auditorias da qualidade e, pelo menos, um Nível 3 em END no setor aeronaútico, reconhecido
pelo CANEND.
1.2 Centros de Formação Reconhecidos: Evolução histórica e Visão Estratégica
O CANEND tem vindo a reconhecer Centros de Formação e de Examinação não nacionais já
aprovados por outros NANDTBs e iniciou a avaliação dos Centros de Formação e Examinação
internos das Organizações Membros do CANEND, tendo emitido Reconhecimentos Formais para:
o Centro da OGMA S.A. como Centro de Formação e Examinação para os métodos de UT, ET,
PT e MT; e para o Centro da TAP, como Centro de Formação para o método de PT (CANEND,
2012).
Não obstante este esforço, de avaliação e reconhecimento dos Centros, foi sendo identificado
que o maior problema se prendia com a gestão, controlo e administração das peças de exame de
forma a cumprir com os requisitos da Norma EN 4179 que, para Organizações com números
grandes de técnicos, se tornava difícil assegurar de forma sustentada. Nesse sentido, a solução
encontrada para a garantia do cumprimento desses requisitos foi a criação de um banco de peças
do CANEND (alimentado pelas Organizações membros do CANEND) e o estabelecimento de um
procedimento de gestão e partilha de peças de examinação entre os membros do CANEND P011 (CANEND, 2013), aumentando-se a disponibilidade e a variedade de peças de examinação
à disposição das Organizações.
A criação deste banco de peças é um processo moroso e exige um empenho elevado das
organizações, face à necessidade de reavaliação das peças e de convergência de procedimentos
de examinação com proveniências diversas. E se por um lado, resolvia os problemas das
Organizações membros do CANEND, por outro restringia e limitava as possibilidades de outras
organizações, não membros, poderem entrar no setor dos END aeronáutico nacional, uma vez
que forçava essas organizações a realizarem formação e examinação em centros externos não
nacionais, com custos mais elevados e com investimento em ativos não nacionais.
Surge assim a perspetiva da criação de um Centro de Examinação Nacional, para dar resposta a
este problema e que assenta na existência do banco de peças sustentado pelo CANEND. Nesse
sentido, e para que o Centro seja viável e sustentável foi decidido que os Centros de Examinação
internos, seriam uma situação transitória, deixando de fazer sentido, quando o Centro estivesse
formalmente implementado. Houve assim uma derivação do esforço colocado pelo CANEND no
119
Reconhecimento dos Centros Internos para a criação de um Centro Nacional para Examinação
no setor aeronáutico.
1.3 Certificação Internas em END no setor Aeronáutico
Para que uma organização possa realizar inspeções de END no setor aeronáutico terá de garantir
que os elementos que realizam esses trabalhos cumprem os requisitos de formação, examinação
e experiência estabelecidos como mínimos na norma EN4179. Esta garantia é da
responsabilidade dos níveis 3 que o definem nos procedimentos internos das organizações.
Na avaliação da capacidade técnica de um técnico de END realizar um trabalho END numa
determinada organização do Setor Aeronáutico, a experiência de suporte à sua Certificação
Interna deverá ser aquela que reflete a sua capacidade de realizar esse trabalho.
Efetivamente, frequentemente os Níveis 3 das Organizações deste setor deparam-se com a
necessidade de contratar técnicos para a realização de inspeções pontuais ou para ingressarem
nos quadros da organização.
Face à especificidade dos trabalhos e ao elevado nível formação e experiência que os técnicos
têm de possuir para realizar estes trabalhos, torna-se necessário a admissão de técnicos para
estes trabalhos que sejam trabalhadores por conta própria no setor dos END ou técnicos
provenientes de outras organizações e, cujas competências e experiência têm de ser avaliadas,
quanto a qualidade e experiência. Nesse sentido, o CANEND definiu como orientação para os
níveis 3 das organizações, que os técnicos de END a serem contratados para poderem realizar
trabalhos neste setor deverão ter tido formação formal examinação formal em Centros de
Formação Reconhecidos e em Centros de Examinação Reconhecidos.
Num processo de admissão de um técnico é da responsabilidade do Nível 3 assegurar que o
mesmo cumpre os requisitos estabelecidos na norma EN4179, atribuindo-lhe a certificação
interna que o autoriza a realizar os trabalhos pela organização.
Técnico END
Nível 3
Apresenta Documentação
Verifica
Documentação
Certificados de Formação
Certificados de Examinação
Cópias de Certificados
anteriores
Descrição de trabalhos
realizados anteriormente
validados por outros
empregadores
Verifica
Experiência
Organização
Exames e Formação
provenientes
Centro de Formação e
Examinação
Externo/Interno
Reconhecidos
Valida
Experiência
Valida formalmente a
Experiência Prévia.
Avalia necessidade de
Exame específico
Exame Específico
Teórico / Prático
Emite Parecer formal para Certificação Interna
Define o Nível da Certificação aplicável em função da
experiência validade
Consulta N3 para avaliação técnica
do processo
Emissão de Certificação
Interna
Figura 2 - Processo de Certificação Interna de técnicos END no setor Aeronáutico
120
1.4 Atribuição dos níveis de Certificação
Para o Setor Aeronáutico, a norma EN:4179 define os requisitos de formação e de experiência
necessários para que os técnicos atinjam condições das certificações internas das organizações,
permitindo a certificação interna dos técnicos com base em experiência documentada em outras
organizações, deixando a validação dessa experiência ao critério no N3 responsável da
organização.
Nestes casos, a avaliação do Nível da Certificação a atribuir é feita pelo Nível 3 de acordo com o
procedimento abaixo especificado, sendo que Certificações Nível 1 especial são concedidas pelo
Nível 3, nas condições consideradas adequadas.
Técnico END
Centro de Formação/examinação Interno
Reconhecido
Verificação de Requisitos de Formação
Formação EN4179
Centros de Formação/Examinação Externos
Estrangeiros Reconhecidos pelo CANEND
Avaliação de requisitos de Examinação
Examinação EN 4179
Centros de Formação/Examinação Externos
Nacionais Reconhecidos pelo CANEND
Prática
2 Peças
Teórica
2 Exames
Avaliação do nível de Certificação interna
N1 Especial
N1
ET
40 horas
200 horas – Totais 400
UT
40 horas
PT
13 horas
MT
13 horas
N2
CERTIFICAÇÂO
INTERNA
Organização – N3
Necessidade
de Novo Exame –
5 anos Formal em
Centro Reconhecido
Figura 3 - Avaliação do nível de Certificação a atribuir pelo N3
Para o caso de técnicos provenientes do setor aeronáutico, ao qual a norma de qualificação e
certificação EN 4179 serviu de base de certificação e suporte à sua experiência prática, o
CANEND considera que toda a experiência prévia dos técnicos em trabalhos de END em
aeronaves ou componentes de aeronaves é relevante. Efetivamente desde 2009 que a norma
EN4179 considera a experiência em END como sendo transversal aos métodos, refletindo o
entendimento de que todas as inspeções realizadas contribuem para a capacidade de deteção,
identificação e interpretação dos defeitos por parte dos técnicos END. Ainda assim, para a
certificação dos técnicos num determinado método é exigido que pelo menos 50 % da experiência
requerida seja conseguida nesse método.
Não obstante, este entendimento é válido para técnicos cujo tipo de trabalho tenha sido
totalmente suportado na norma EN4179, em que os tipos de materiais; técnicas usadas; esforços,
temperaturas e solicitações dos materiais estão balizados e são compreendidos dentro da
121
formação subjacente à certificação dos técnicos, não sendo válido no caso de avaliação de
experiência obtidas em trabalhos do âmbito industrial.
Efetivamente, no mundo competitivo em que os END hoje se posicionam, existe por vezes a
necessidade de transição de técnicos de END com experiência num Setor específico (industrial)
para trabalhar no outro (aeronáutico) e a necessidade de análise crítica da sua experiência é uma
realidade que surge com cada vez mais frequência aos Níveis 3 das Organizações que se vêem
forçados a tomar decisões, sem qualquer suporte normativo que os oriente.
Capítulo 2: Convergência dos END no Setor Aeronáutico e Industrial
Não obstante as diferenças entre os Setores, existem alguns pontos de contato que são
relevantes e que não devem deixar de ser tomados em consideração nesse tipo de análise, cujo
impacto é elevado quer na Segurança, quer na competitividade das Organizações. Nesse sentido,
pretende-se apresentar seguidamente uma metodologia de avaliação da experiência prévia de
técnicos com certificações de acordo com a Norma EN: 9712 para o a atribuição de certificações
internas no Setor Aeronáutico, de acordo com o método de ensaio e com o tipo de experiência
relevante para os trabalhos em causa.
Não sendo uma metodologia vinculativa, uma vez que essa avaliação é da responsabilidade dos
Níveis 3 das organizações, esta metodologia visa constituir uma referência para suporte às
decisões dos Níveis 3 que verta uma posição concertada do Comité Aeroespacial Nacional de
Ensaios Não Destrutivos para orientação dos Níveis 3 na tomada de decisão de uma forma
coerente e transversal ao Setor.
2.1 Definição das Técnicas de Inspeção
O comum entendimento do CANEND sobre a Norma de Referência EN 4179 é que para trabalhos
em aeronaves ou componentes de aeronaves, no âmbito da deteção de defeitos de serviço, a
contabilização da experiência deve ser independente dos métodos e técnicas de inspeção (se
realizada sob o âmbito EN4179) porque o conhecimento do tipo de defeitos e do tipo de
funcionamento dos componentes e sistemas é relevante para proficiência dos técnicos,
contribuindo para o aumento do POD (Probability of Detection) das inspeções. Não obstante, o
CANEND considera que em determinados métodos e técnicas END poderão existir contributos de
experiência mais ou menos significativos para as certificações dos técnicos. Nesse sentido o
CANEND começou por definir o conceito de técnica END a considerar nas certificações internas
das organizações para os métodos sobre os quais este comité reúne valências técnicas para
legislar. Essa definição é apresentada na tabela seguinte.
122
Tabela 1 - Definição das Técnicas END aplicáveis ao setor aeronáutico pelo CANEND
Método
PT
MT
Técnica
Tipo I – A
Tipo I – C
Tipo I – D
Magnetização Circular Directa (MCD)
Magnetização Circular Condutor Central (MCC)
Magnetização Longitudinal Bobine (MLB)
Magnetização Longitudinal Yoke (MLY)
Alta Frequência (HF)
ET
UT
RT
IRT
Baixa Frequência (LF)
Medição de condutividade (COND)
Medição de espessuras (ECTHK)
Alta Frequência Diferencial Rotativa (ROT)
A-SCAN Manual Pulse-Echo (A-SCAN PE)
A-SCAN Manual Through-Transmission (A-SCAN TT)
Phased Array (PHAR)
Imersão C-SCAN Pulse-Echo (IMPE)
Imersão C-SCAN Through-Transmission (IMTT)
Medição de Espessuras (UTTHK)
Convencional - Filme (RTF)
Digital (RTD)
Pulse (IRT-Pulse)
Flash (IRT-Flash)
Lock in (IRT-LCK)
Passivo (IRT-Passive)
2.2 Validação de Experiência prévia do Setor Industrial
Enquanto que na validação de experiência prévia de técnicos com certificações anteriores
suportadas na norma EN4179, a norma não prevê uma diferenciação ao nível da técnica, quando
é considerada a avaliação de experiências prévias de técnicos provenientes do setor industrial, o
CANEND considera que a avaliação por parte dos Níveis 3 das Organizações deve considerar o
tipo de trabalhos para que os técnicos estão a ser contratados. As tabelas seguintes (2.1 e 2.2)
visam verter essa avaliação, com base na definição das técnicas END consideradas como
aplicáveis ao setor aeronáutico Nacional.
123
124
2.3 Entrada de Organizações END do setor Industrial para o setor aeronáutico
O setor aeronáutico nacional tem crescido substancialmente nos últimos anos, nomeadamente ao
nível da produção e fabrico de componentes aeronáuticos. Nesta indústria em clara expansão, o
controlo de qualidade dos componentes aeronáuticos assume um papel preponderante, fazendo
parte da cadeia de produção em alguns casos. Esta indústria representa assim um mercado
estimulante onde organizações que tradicionalmente já realizam inspeções END noutros setores,
se podem posicionar como fornecedoras de serviços END subcontratadas.
Embora, não exista uma posição clara e consertada a nível europeu sobre a não aplicabilidade da
norma EN 4179 às organizações que produzem este tipo de componentes (organizações de
produção part 21), nunca foi legislado que os requisitos de formação e certificação dos técnicos
que realizam END a esses componentes deva obedecer à norma EN4179. Não obstante a
inexistência de uma posição consertada a este nível, poderá haver o interesse dessas
organizações, ou de outras organizações tradicionalmente ligadas ao setor END industrial
certificarem os seus técnicos END em concordância com esta norma 2. Adicionalmente, tem
existido algum interesse por parte de empresas ligadas ao fornecimento de serviços de END para
o setor industrial geral, em entrarem no mercado das inspeções END realizadas no âmbito da
manutenção de aeronaves, como forma de se manterem atuais e competitivas.
Estas são duas situações a que o CANEND, como organismo nacional regulador da atividade
END no setor aeronáutico, não está indiferente. Efetivamente, essas situações têm sido parte da
motivação para o empenho colocado no desenvolvimento de um sistema de Qualificação e
Examinação de pessoal técnico END para o setor aeronáutico nacional, que desta forma lhes visa
dar resposta.
Efetivamente, com a criação deste sistema Nacional de Qualificação e Examinação de pessoal (e
que passa inerentemente) criam-se condições para que organizações tradicionalmente ligadas ao
setor END industrial consigam certificar os seus técnicos END em concordância com a norma
EN4179, tirando partido da sua experiência prévia em atividades END noutros setores, seja para
realizarem inspeções END no âmbito da ou da manutenção de aeronaves (part 145), ou no
âmbito da produção de componentes (part 21).
Este é um processo, que embora não seja complexo, é algo moroso e exige por parte das
organizações investimento a nível financeiro e a nível de formação de pessoal, que poderá
comportar custos de paragem da produção por necessidades de deslocalização do pessoal
técnico, devendo por isso ser alvo de uma avaliação estratégica por parte das organizações.
Especificamente este processo exige:
1.
2.
Que as empresas incluam no seu quadro um Nível 3, com certificação emitida
por um dos Centros Reconhecidos para formação e examinação de acordo
com a norma EN4179 definidos pelo CANEND (CANEND, 2012).
Que as empresas qualifiquem os técnicos END em Ensaios não Destrutivos
no setor aeronáutico em Centros de Formação e de Examinação
Reconhecidos pelo CANEND e estabelecidos em (CANEND, 2012).
2
Esse interesse poderá ser motivado (por exemplo) por requisitos de prime contractors, que incluem nos concursos a certificação
dos técnicos END em concordância com a Norma EN4179.
125
3.
4.
Que a experiência prévia dos seus técnicos END, seja validada pelo N3
EN4179 (processo de validação este, em que poderá fazer uso das linhas
orientadoras estabelecidas nas tabelas 2.1 e 2.2 deste artigo).
Que o Nível 3 EN4179 das empresas certifique internamente os técnicos
END, de acordo com a formação e experiência prévia dos mesmos.
Adicionalmente, caso as organizações pretendam prestar serviços END no âmbito da
manutenção de aeronaves, deverão ainda obter a autorização para a realização dessas
atividades junto das autoridades nacionais competentes. Estas autoridades são o INAC (Instituto
Nacional de Aviação Civil), para o caso da aviação civil, e a AAN (Autoridade Aeronáutica
Nacional), para o caso militar, que poderão solicitar ao CANEND um parecer técnico sobre as
capacidades técnicas das organizações para a realização dessas atividades. Nessas condições o
CANEND irá emitir o seu parecer com base no procedimento para o Reconhecimento dos Níveis
3 dessas organizações - procedimento P002 do CANEND (CANEND, 2011), que inclui a
avaliação da norma interna da organização para a realização de END no setor aeronáutico. A
Figura seguinte apresenta este processo.
Implementação da Norma EN4179 nas Organizações
Prestação de Serviços END no âmbito
da manutenção de aeronaves (part 145)
Formação e Examinação N3 EN4179
de um Elemento
Formação e Examinação N1/N2
EN4179 dos técnicos END
Centros de
Formação/Examinação
Externos Estrangeiros
Reconhecidos pelo CANEND
Centros de
Formação/Examinação
Reconhecidos pelo CANEND
Prestação de Serviços END no âmbito
da produção de componentes
aeronáuticos (part 21)
Formação e Examinação N3
EN4179 de um Elemento
Formação e Examinação N1/N2
EN4179 dos técnicos END
CANEND
Obtenção do âmbito junto
das Autoridades Aeronáuticas
Se necessário
Validação da experiência prévia
dos técnicos pelo N3
Realizar Inspeções END part 145
INAC
AAN
Colocar os técnicos noutras
organizações para
obtenção de experiência
relevante
Validação da experiência prévia
dos técnicos pelo N3
Realizar Inspeções END part 21
Figura 4 - Processo de entrada de empresas END no setor aeronáutico
Não obstante os custos inerentes ao processo, a perspetiva da criação de um Centro de
Formação Nacional em Ensaios Não Destrutivos para o setor aeronáutico, reduz
substancialmente estes custos, assim contribuindo para o crescimento sustentado do tecido
tecnológico nacional na área dos END.
126
CONCLUSÕES
As técnicas de Ensaios Não Destrutivos, fruto da elevada probabilidade de detecção de defeito
(POD - Probability of Detection) que conseguem atingir, assumem um papel preponderante na
garantia da aeronavegabilidade continuada das aeronaves, sendo parte essencial quer dos
planos de manutenção das aeronaves, quer do controlo dos componentes das aeronaves
aquando da sua produção.
A elevada probabilidade de detecção de defeitos destas técnicas assenta em grande parte na
formação e proficiência dos técnicos END na aplicação das técnicas e na interpretação das
indicações, pelo que os sistemas de qualificação e certificação de pessoal são críticos para a
Segurança da Aviação Civil e Militar.
Nesse sentido o CANEND tem desenvolvido esforços no sentido de criar um sistema de formação
em END para o setor aeronáutico nacional, que seja tecnicamente adequado, sustentável,
credível, e passível de ser transversal a todo setor aeronáutico civil e militar, assim contribuindo
para o aumento da segurança na aviação.
Existe presentemente criado um sistema para o reconhecimento de Centros de Formação e de
Examinação em END adequados ao setor aeronáutico, tendo sido emitidos reconhecimentos
formais para Centros de Formação e Examinação, internos e externos, nacionais e estrangeiros
aos quais as organizações podem recorrer para qualificar os seus técnicos
Atualmente não existe nenhum Centro de Formação e Examinação Nacional externo que possa
oferecer um serviço de formação e examinação vocacionada para o setor aeronáutico, pelo que
as organizações que pretendem formar os seus técnicos nesta área têm necessariamente de se
recorrer de Centros não nacionais. Nesse sentido tem havido um esforço por parte do CANEND
para a criação de um Centro Nacional Reconhecido e suportado tecnicamente pelo CANEND (ao
nível de peças de exame, instrução, formadores e examinadores) que visa servir não só as
Organizações membros do CANEND, mas também todas as outras que pretendam enveredar
pela atividade dos END no setor aeronáutico, que hoje em dia apresenta potencial crescimento.
A formação e Certificação de pessoal que realiza END no setor da indústria geral e no setor
aeronáutico é inerentemente diferente, no que toca à utilização das técnicas, ao tipo de materiais
usualmente inspecionados, e ao tipo de defeitos que normalmente são procurados. Efetivamente,
estas diferenças são significativas e esse facto tem suportado uma não convergência das Normas
de Qualificação e Certificação de Pessoal aplicáveis aos 2 setores. Não obstante, existem pontos
de contacto que devem ser considerados numa eventual exploração de recursos de uma
organização (ou técnico END particular) que, usualmente realiza atividades END num
determinado setor, pretenda iniciar atividade no outro.
Para o caso particular da passagem do setor industrial para o setor aeronáutico, estes pontos de
contacto devem ser tidos em consideração pelo Nível 3 (EN4179) das organizações na avaliação
da experiência prévia dos técnicos. Não havendo um normativo comummente aceite para a
realização dessas avaliações, os níveis 3 são levados sem um suporte orientador. Esse facto
torna essas avaliações muito subjetivas e passíveis de sofrer pressões por parte das estruturas
das organizações motivadas pela necessidade de celeridade nos processos ou de redução de
127
custos. Este artigo, não sendo de todo vinculativo, apresentou algumas linhas orientadoras por
parte do CANEND, que possam facilitar essas avaliações por parte dos níveis 3.
A convergência de organizações END que tradicionalmente têm operado apenas no meio
industrial para o setor aeronáutico é um processo que não sendo complexo é algo moroso e que
exige algum investimento por parte das organizações.
Para a produção de componentes aeronáuticos, embora não exista uma clara posição sobre a
necessidade da convergência para a norma EN 4179, podem haver requisitos específicos de
prime contractors que exijam que os técnicos END que realizam inspeções aos componentes em
produção sejam qualificados e certificados em concordância com esta norma, podendo essa
convergência representar um objetivo estratégico das organizações para o seu posicionamento
no mercado. Nesse sentido a criação de um futuro Centro de Examinação Nacional para esta
atividade (suportado tecnicamente pelo CANEND) surge como um elemento alavancador da
economia nacional e, mais especificamente da indústria dos Ensaios Não Destrutivos.
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http://www.canend.net/index.php?option=com_content&view=article&id=3&Itemid=112&jsmallfib=
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128
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standardization.
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destrutivos - CANEND. [Online] Available at:
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2014].
WEE/46, 2012. EN ISO 9712 - Non-destructive testing – Qualification and certification of NDT
personnel – General principles.
129
SESSÃO TÉCNICA IV
STIV.1
ESTUDO DA ADEQUABILIDADE DE TÉCNICAS DE ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS PARA
IDENTIFICAR DEFEITOS INTERNOS E EXTERNOS EM ESTRUTURAS COMPLEXAS DE
MATERIAIS COMPÓSITOS DE COMPONENTES AERONÁUTICOS E AEROESPACIAIS
Patrícia Pereira (1); Diogo Duarte (2); Virgínia Infante (3)
(1)
Força Aérea Portuguesa, DEP - Direção de Engenharia e Programas
[email protected]
(2)
Força Aérea Portuguesa; DEP - Direção de Engenharia e Programas
[email protected]
(3)
ICEMS - Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa,
Av. Rovisco Pais, 1049-001, Lisboa - Portugal
ABSTRACT
Over the years mankind has been increasingly focusing on the development of unmanned aerial
vehicles (UAV), not only because their production is more economic but mostly because it
eliminates the risk of life for pilots in dangerous, dirty or dull scenarios. Currently a project is being
developed in the Air Force Academy that involves the construction of UAV's that will be used on
operational missions in an integrated way. Similarly to manned aircraft, it is necessary to ensure
that its structure is reliable, and for that purpose nondestructive testing (NDT) are used to control
the manufacturing process. Since composite materials have been applied to these vehicles, it
becomes necessary to determine and validate the best suited and economic NDT techniques for
structures of this type of material. This work consists in evaluating the capability of defects
detectability in composite materials using infrared thermography, Lock-In thermography and digital
radiography, and in assessing the costs of their implementation and maintenance. To this end
seven components are produced with different defects and they are all evaluated by those three
techniques, proceeding to their comparison in the end. Furthermore, a real delamination is
analyzed by infrared thermography and it is successfully detected. Lock-In thermography and
digital radiography are the techniques that are able to detect a wider variety of defects, but the
latter one implies a high initial investment. Thermography methods have similar costs, but Lock-In
thermography detects a higher number of diverse defects, therefore it is concluded that this is the
technique with the best relation cost-detectability.
Keywords: composite materials, nondestructive testing, infrared thermography, Lock-in
thermography, computed radiography.
1.
Introduction
The first UAV’s appeared during the First World War with combat purposes and their objective
were depriving the pilot from dangerous, dirty and dull missions (3 D’s) [1][2][3]. Besides the
inherent advantage of these vehicles to remove the risk of pilot’s life, there’s also a cost reduction
since their production is cheaper than manned vehicles [3]. Nowadays, beyond military scenarios
these vehicles can have civil applications such as search and rescue operations, surveillance in
earthquakes, floods, forest fires, etc. [4].
As the knowledge evolved in the aeronautical sector, new structures, materials and technologies
were explored and used. Therefore on the XX century, composite materials were used in military
133
and civil aircrafts demonstrating many advantages [5]. Consequently, their application was
extended to UAV’s increasing their life cycle, strength, payload, endurance and reducing their
weight [3][4][6].
Currently there’s a developing project in the Portuguese Air Force Academy (AFA) that involves
the production of UAV’s for search and surveillance operations. Similarly to manned vehicles the
UAV structure must be reliable, and for that purpose nondestructive testing (NDT) need to be
performed. In addition to the different operating principles of NDT methods, dimension and
geometry of the analyzed structures, the type of defect searched and the type of material
evaluated also represents a major limitation for NDT inspections. For that reason, this work
consists in exploring and validating one economic NDT technique able to detect typical defects in
composite structures with polymeric matrix, such as thermography and radiography.
2.
NDT Methods
In the present work, three NDT techniques were applied in different test specimens: infrared
thermography, Lock-In thermography and computed radiography.
Thermography is a NDT technique that detects surface heat emitted as infrared radiation and so
far, all objects and bodies emit radiation in that region because all of them have temperature
above the absolute zero [7]. Thermography has two different approaches: passive and active [8].
In passive approach, the material subjected to inspection must be at a different temperature than
ambient, while in active approach an external stimulus is needed to induce relevant contrasts
[9][10][11]. Infrared thermography has become a competitive technique since has proved flexibility
and applicability in innumerous areas like medicine, mechanical, electronics and buildings [9]. It is
a non-contact, real time, quick technique able to examine large areas [12]. To perform tests with
infrared thermography a thermal camera is needed to convert the infrared radiation to a visible
image, where the thermal distribution of the analyzed surface can be viewed. Nevertheless there
are some factors that influence the temperature readings and lead to misinterpretation of results
like emissivity, reflection, apparent temperature, weather condition, atmosphere and heating and
ventilation systems [13]. With this technique a qualitative or quantitative evaluation can be made.
The qualitative evaluation is intended to compare temperatures, observe a thermal pattern and
detect anomalies, and the quantitative evaluation is applied when the severity of the anomaly
needs to be quantified, requiring the introduction of the necessary parameters with their exact
value.
Relatively to the active thermography, depending on the external stimulus different methods were
developed. When the stimulus is a periodic and continuous optical energy, the method is referred
to Lock-In Thermography (LT) [14][15]. This one normally uses halogen lamps for that purpose
and thermal waves are produced on the surface of the analyzed material due to the heat
absorption. Those waves propagate inside the object, being reflected when they find areas with
different properties, like defects, changing the phase and amplitude of the input signal [14]. To
extract the information of the resultant output signal, it is applied the Fourier analyses [14][16]. To
perform this test, the object is thermal stimulated with a single frequency that corresponds to a
single depth, therefore the experiment must be repeated to try many frequencies as possible to
cover a wide range of depths.
134
Recently, due to the technological progress radiography evolved to digital and three methods can
be recognized: film digitization, computed radiography (CR) and direct radiography (DR) [17] [18].
Since the present work only uses CR, this one will be described. This technique doesn’t produce
real time results because its operation includes two different phases. First, the object that needs to
be analyzed is exposed to X-ray radiation and the latent image formed is stored in the imaging
plate (IP). Then, that latent image is converted into light when the IP is inserted into the scanner
and submitted to laser stimulation, transforming that information into a digital image [19][20]. The
use of IP’s become beneficial because they can be reused several times [17], and one way to
protect it is by using a cassette.
3.
Experimental Procedure
3.1.
Description of the composites specimens
For this work, seven test specimens were produced with composite materials applied on the
UAV’s manufactured by the AFA. During their production diverse defects were induced on each
one, making them objects of different analyzes.
The specimen 1 is a square with 0.25m x 0.25m, composed by 4 layers of carbon fiber, 3 layers of
fiberglass and 3 square aluminum inclusions having a length of 5mm, 10mm and 20mm
respectively (figure 1). With this sample it is intended to evaluate the evolution of detectability with
the planar defect area.
Figure 1 – Schematic of specimen 1.
The specimen 2 is a square with 0.15m x 0.15m, also composed by 4 layers of carbon fiber, 3
layers of fiberglass and 6 square teflon inclusions arranged on two different lines, each line
comprising three inclusions (figure 2). On one line, the inclusions have a reduced thickness
(simulated by a single layer of teflon) and on the other line they have a higher thickness (simulated
with some layers of teflon). With this sample it is intended to evaluate possible differences in
detectability with the thickness of the inclusions, and to evaluate the difference of detectability of
teflon relatively to aluminum.
135
Figure 2 – Schematic of specimen 2.
The specimen 3 is a square with 0.16m x 0.16m, also composed by 4 layers of carbon fiber, 3
layers of fiberglass and 12 square teflon inclusions arranged on four different lines, two of them
being in one layer and the others in another (figure 3). A set of two lines comprises six inclusions,
and one of those two lines has inclusions with a reduced thickness (simulated by a single layer of
teflon) and the other one has inclusions with a higher thickness (simulated with various layers of
teflon). With this sample it is intended to assess the difference of detectability of inclusions with
different materials in their surroundings and with eventual differences in depth.
Figure 3 - Schematic of specimen 3.
The specimen 4 is a rectangle with 0.16m x 0.11m, composed by an outer layer of carbon fiber
and a honeycomb core where water is injected (figure 4). With this sample it is intended to detect
moisture in the core.
The specimen 5 is a rectangle with 0.16m x 0.17m, composed by 2 outer layers of carbon fiber
and a honeycomb core. In this one, many defects were induced, namely a side cut near the
corners of the core, a circular cut, four compressions held in the core and a compression
performed on the outer carbon fibers during the manufacture of the specimen, however their exact
136
location are unknown. With this sample it is intended to simulate core damage caused by impact
and any defects in the materials used during manufacture.
The specimen 6 is a rectangle with 0.21m x 0.20m, composed by 4 outer layers of carbon fiber, 4
inner layers of AIREX foam and 3 square aluminum inclusions with 2mm of length (figure 5). With
this sample it is intended to analyze the detectability of defects with depth in materials with very
low thermal conductivity.
The specimen 7 is a copy of the landing gear produced by the AFA for the developing UAV and is
composed by 23 layers, of which eight are carbon fibers and fifteen are fiberglass. Its dimensions
are represented in figure 6 (legenda: Dimensions of specimen 7 in meters), and they are in
meters.
Figure 6 - Dimensions of specimen 7 (meters).
After the production of this specimen, circular holes were made with different diameters and
depths as shown in table 1, to assess the ability of detecting defects with their increasing depth.
Table 1 - Dimension and depth of the drilled holes.
Diameter
Depth
1 mm
2 mm
5 mm
1 mm
2 mm
4.5 mm
1 mm
2 mm
4.5 mm
2 mm
3 mm
5 mm
137
3.2.
Infrared Thermography
To perform this test, it was necessary to induce a thermal gradient in the seven specimens. For
the present study this gradient was stimulated in three different ways resorting to an ultraviolet
(UV) lamp, an oven and a freezer. To obtain the thermal images was used the infrared camera
FLIR T-335, and since this type of testing is merely qualitative, no parameters were introduced on
the camera. The experiment that uses the UV lamp comprises two different analyzes: one consists
on evaluating the specimen while its surface is heated for about 5 minutes, and the other consists
on evaluating the specimen while it cools down. When the oven is used, the samples are heated
by conduction during 10 minutes at 70ºC and analyzed when removed outwards. The tests using
the freezer are similar, since the samples are cooled by conduction during 1 hour at approximately
-20ºC. After any of those tests the obtained images are transferred to the computer and processed
using a FLIR’s software.
3.3.
Lock-in Thermography
Since this technique requires an external stimulus to be applied, halogen lamps were used for that
purpose. They emit continuous signals such as sinusoidal or square waves, and their frequency is
defined according to the thickness of the specimens and the depth of their defects. During the time
that the specimen is subjected to the light emitted by the lamps, an infrared camera from FLIR
continuously captures images of it. Both the camera and the lamps are synchronized with the
computer, making it possible to control the type of wave, its duration, its frequency and intensity,
and the acquisition and processing of images almost immediately.
3.4.
Computed Radiography
For this study, it’s utilized a tube of X-rays, at least one IP to storage the latent image, a scanner
to transfer that image to a digital format and a computer able to receive and process that image.
Before starting this technique, the distance from the source to the IP must be set; and the voltage
and current values of the radiation source, as well as the exposure time to which the component
will be subjected must be introduced on the appropriate device.
3.5.
Infrared Thermography applied to real aeronautical components in composite
material
In addition to the experiments mentioned, a real delamination was analyzed with infrared
thermography. To apply this technique a thermal gradient was induced by heating the damaged
area with an UV lamp. Once the defect and its location were known, the same area corresponding
to the other wing was also analyzed in order to have a pattern of the material surface evaluated
(figure 7). The test is performed after the heating.
a) Flawless area.
b) Defective area.
Figure 7 – Testing surfaces.
138
a) Flawless area.
b) Defective area.
Figure 8 - Results of the tested surfaces.
In figure 8a) it’s only observed a uniform and radial thermal gradient in the heated zone and any
irregularity is detected. However, in figure 8b) it’s possible to identify the defective area because
there’s air between the layers, and since its thermal conductivity is lower than the composite
material the hottest areas correspond to the delamination zone.
4.
Results and Discussion
In the performed tests, LT examined front and back side of all specimens except the fourth,
infrared thermography except the fourth and the sixth, and CR only analyzed one side of each
sample since it has the ability to cross through the material. For specimen 1, 2, 3 and 7 the side A
corresponds to the surface of carbon fiber and the side B to the surface of fiberglass. For
specimen 5 the side A corresponds to the damaged surface and the side B to the intact surface.
4.1.
Specimen 1
The tests using infrared thermography were carried out based upon the conditions defined in
section 3. For the LT, a sinusoidal wave with 0.5 Hz of frequency was applied for 90 seconds,
making use of one lamp with 60% power for the B side and two lamps, each one with 60% power
for the A side. Regarding the CR test, the specimen 1 was exposed for 48 seconds to 45 kV and
10 mA.
a) Side A: UV Lamp
(heating).
c) Side A: UV Lamp
(cooling).
b) Side B: UV Lamp
(heating).
d) Side B: UV Lamp
(cooling).
139
f) Side B: Oven.
e) Side A: Oven.
g) Side A: Freezer.
h) Side B: Freezer.
Figure 9 - Results of infrared thermography applied to specimen 1.
a) Side A.
b) Side B.
Figure 10 - Results of Lock-In applied to specimen 1.
Figure 11 - Results of Computed Radiography applied to specimen 1.
Since for this specimen, the applied techniques aren’t able to detect the same defects, the size of
the minimum detectable defect for each method is shown in table 2.
140
Table 2 - The size of the minimum detectable defect
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
Side A
Side B
5 mm x 5 mm
10 mm x 10 mm
5 mm x 5 mm
20 mm x 20 mm
5 mm x 5 mm
10 mm x 10 mm
10 mm x 10 mm
10 mm x 10 mm
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
Although not shown in table 2, in figures 9c), 9e) and 10b) it’s possible to detect a fourth inclusion.
This is a kind of fiber that was not inserted in this specimen intentionally.
For side A, the best results were produced by CR and infrared thermography associated to the UV
lamp; and for side B the CR and LT were the best. Despite this, CR cannot detect the fiber
inclusion because its X-radiation absorption is very similar to the surrounding material, not causing
density variation on the radiograph.
4.2.
Specimen 2
section 3, except the process that uses the oven. In that case, in order to obtain better results, the
A side was analyzed after being heated 15 minutes at 70ºC, and the B side after 10 minutes at
80ºC. For the LT, a square wave and one lamp with 50% power were applied to both sides.
However, to side A the wave had 0.06(6) Hz and was applied for 30 seconds, and for side B it had
0.2 Hz and the incidence period was 20 seconds. Regarding the CR test, the specimen 2 was
exposed for 48 seconds to 45 kV and 10 mA.
a) Side A: UV Lamp
(heating).
b) Side B: UV Lamp
(heating).
c) Side A: UV Lamp
(cooling).
d) Side B: UV Lamp
(cooling).
141
e) Side A: Oven.
f) Side B: Oven.
g) Side A: Freezer
h) Side B: Freezer
Figure 12- Results of infrared thermography applied to specimen 2
a) Side A
b) Side B
the minimum detectable defect for each method and thickness is shown in tables 3 and 4.
142
Table 3 - The size of the minimum detectable defect when side A is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
5 mm x 5 mm
-
-
-
3 mm x 3 mm
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
-
Table 4 - The size of the minimum detectable defect when side B is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
-
-
-
-
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
10 mm x 10 mm
-
As shown in tables 3 and 4, infrared thermography applied after heating the sample with the UV
lamp and after cooling it with the freezer, were the methods that didn’t produced any results. In
addition to those, the CR technique only detected the medium-sized thick inclusion, because
teflon’s characteristic X-radiation absorption is very similar to composite materials. Thus, for this
technique the defect size is not relevant, but its thickness is. Comparing the results obtained for
the sample 2, LT is the technique which allows observing the same or a higher number of defects
relatively to the other techniques with higher quality for both sides.
4.3.
Specimen 3
section 3. For the LT, a sinusoidal wave and two lamps, each one with 80% power were applied to
both sides. However, to side A the wave had 0.5 Hz and was applied for 90 seconds, and for side
B it had 0.1 Hz and the incidence period was 60 seconds. Regarding the CR test, the specimen 3
was exposed for 48 seconds to 45 kV and 10 mA.
a) Side A: UV Lamp
(heating).
b) Side B: UV Lamp
(heating).
143
c) Side A: UV Lamp
(cooling).
d) Side B: UV Lamp
(cooling).
e) Side A: Oven.
f) Side B: Oven.
g) Side A: Freezer
h) Side B: Freezer
b) Side B
a) Side A
Figure 17 - Results of Computed Radiography applied to specimen 3
144
the minimum detectable defect for each method, thickness and depth is shown in tables 5, 6, 7
and 8.
Table 5 - The size of the minimum detectable defect at the surface when side A is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
-
-
-
-
5 mm x 5 mm
5 mm x 5 mm
-
-
Table 6 - The size of the minimum detectable defect in depth when side A is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
-
-
-
-
10 mm x 10 mm
3 mm x 3 mm
-
3 mm x 3 mm
-
Table 7 - The size of the minimum detectable defect at the surface when side B is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
3 mm x 3 mm
-
5 mm x 5 mm
-
5 mm x 5 mm
-
-
145
Table 8 - The size of the minimum detectable defect in depth when side B is analyzed.
UV Lamp
Heating
UV Lamp
Cooling
Oven
Freezer
LT
CR
With Thickness
Without Thickness
10 mm x 10 mm
-
5 mm x 5 mm
-
10 mm x 10 mm
10 mm x 10 mm
3 mm x 3 mm
-
5 mm x 5 mm
-
It is important to note that for this specimen the LT can identify defects in depth but not at the
surface, due to the frequency chosen for the test. Therefore, it can be stated that since the
technique detect defects in depth, will also easily detect those at the surface by modifying the
applied frequency. So, given this detail, and comparing the tables for the specimen 3 is possible to
consider that LT is the technique that originates better results.
4.4.
Specimen 4
section 3. For the LT, a sinusoidal wave with 0.06(6) Hz of frequency was applied for 90 seconds,
making use of two lamps, each one with 60% power. Regarding the CR test, the specimen 4 was
a) UV Lamp
(heating)
b) UV Lamp
(cooling)
c) Oven
d) Freezer
146
a)
b)
For infrared thermography and LT tests, water was injected in the specimen immediately before
the experiment, and the moisture was successfully detected. For CR technique, water was not
injected before the experiment; nevertheless, the hole made for the water injection in the other
tests was detected, as well as two honeycombs cells with a slightly lighter tone. To discover the
reason of their slightly tonality difference, the outer layer of carbon fiber was removed. It was
detected that those two honeycombs cells didn’t have the same height as the others, causing a
disbond between the core and the outer layer (figure 21).
Figure 21 - Irregularity existent in specimen 4.
This irregularity is a type of defect likely to occur during the manufacture process, becoming
interesting to control it. However this was only detected by CR, therefore this technique has a
capability that cannot be achieved with thermography.
147
4.5.
Specimen 5
section 3. For the LT, a sinusoidal wave was applied to both sides. However, for side A the wave
had 0.5 Hz, duration of 90 seconds, and two lamps were used, each one with 60% power. For side
B the wave had 0.1 Hz, duration of 120 seconds, and were used two lamps, each one with 70%
power. Concerning the CR test, the specimen 5 was exposed for 48 seconds to 45 kV and 10 mA.
a) Side A: UV Lamp
(heating)
b) Side B: UV Lamp
(heating)
a) Side A: UV Lamp
(heating).
b) Side B: UV Lamp
(heating).
c) Side A: UV Lamp
(cooling)
d) Side B: UV Lamp
(cooling)
e) Side A: Oven
f) Side B: Oven
148
f) Side A: Freezer
g) Side B: Freezer
a) Side A
b) Side B
Infrared thermography can successfully detect the four collapses and the lateral cut performed on
the core. LT detect those defects and also the central cut made on the core. CR only identified the
central cut, one collapse of the core since there were honeycomb cells overlapped, and the lateral
149
cut. However, the latter appears in the CR with a different tonality and the corresponding
honeycomb cells united. To discover the reason of their slightly tonality difference and union, the
outer layers of carbon fiber were removed. It was detected that those cells corresponded to a zone
rich in resin as a result of the previously cut made (figure 25).
Figure 25 - Irregularity existent in specimen 5
For this case there was no difference between the techniques because this irregularity appeared
either by thermography or by radiography.
4.6.
Specimen 6
section 3. For the LT, a sinusoidal wave with 0.25 Hz of frequency was applied for 90 seconds,
making use of two lamps, each one with 80% power. Regarding the CR test, the specimen 6 was
a) UV Lamp (heating)
b) UV Lamp (cooling)
d) Freezer
c) Oven
150
a)
b)
c)
Infrared thermography, excepting the analysis performed after heating with UV lamp and after
cooling with the freezer, detects in specimen 6 some circular spots that do not correspond to the
inserted metallic inclusions. The LT also detects them, and with CR it’s possible to be sure of their
existence and also to know the exact location of the inclusions. To find out the nature of those
irregularities, the outer layers of carbon fiber were removed. Thus, punctual areas with
accumulated resin were detected (figure 29). Their existence is intentional, since during production
holes are made in the foam to avoid the existence of air bubbles in structures of this material.
Those holes don’t reduce the structural strength of the specimen, therefore shouldn’t be
considered as defects.
151
Figure 29 - Irregularities existent in specimen 6.
The tests performed by the LT don’t originate good results because the specimen was only
stimulated with few frequencies since with those the circular irregularities were detected.
Therefore, being those detected immediately, other frequencies that could reach higher depths
were not tried out.
4.7.
Specimen 7
section 3. For the LT, a constant wave with 0.02 Hz of frequency was applied for 60 seconds,
making use of two lamps with 70% power for the A side. Concerning the CR test, the specimen 7
was exposed for 48 seconds to 45 kV and 10 mA.
Since infrared thermography tests didn’t detect anything, their results aren’t shown.
152
LT can detect the holes closer to the surface, regardless its diameter, and the end of the fiberglass
layers applied with different lengths inside the sample, in this case six layers were detected.
However, CR was able to detect all the existing holes and seven fiberglass layers with different
lengths. Therefore, CR is the technique that obtains better results for specimen 7, but both of them
are able to verify the compliance of the requirements defined in the project.
5.
Cost Analyses
In this section the costs of implementation and maintenance of the three applied techniques are
analyzed for 2013.
5.1.
Infrared Thermography
For this analysis the acquisition cost of a thermal camera, a UV lamp, a thermal manta and the
cost of personnel formation without their certification, have an approximated value of 31 000 €.
The acquisition cost of the thermal manta was considered because, unlike the oven, it’s portable
and can heat up larger structures. Besides those, it must be taken into account the price of the
thermal camera calibration and the personnel certification, that have an annual value of 1 400 €,
being this value independent of the number of inspections.
5.2.
Lock-in Thermography
For this analysis the acquisition cost of a thermal camera, two halogen lamps, specific electronic
equipment to perform the technique and the cost of personnel formation without their certification,
have an approximated value of 55 000 €. Besides those, it must be taken into account the price of
the calibration of the thermal camera and the two halogen lamps, the substitution of the latter and
the personnel certification, that have an annual value of 4 400 €. For those calculations it was
considered that, based on experience, the lifetime average of one halogen lamp is approximately
of two years.
5.3.
Computed Radiography
For this analysis the acquisition cost of all equipment needed to execute the technique, image
quality indicators, construction of infrastructures (estimated for a hangar with 54 m2) and the cost
of personnel formation without their certification, have an approximated value of 170 000 €.
Besides those, it must be taken into account the price of revelation system maintenance,
substition of IP’s and the personnel certification, that have an annual value of 5 600 €. For those
calculations it was considered that, based on experience, an IP can be subjected to 500
exposures without affecting the image quality, and that value is the number of exposures achieved
in a year.
6.
Conclusions
Infrared thermography is the technique that detects a smaller variety of defects in the specimens
analyzed, however it managed to give good results in the presence of defects such as moisture,
core collapse, areas rich in resin and metal inclusions in the samples analyzed. However, the
method which uses the freezer originates lower quality results. In addition, either the freezer or the
153
oven have a fixed capacity and are hardly used for large structures. Furthermore, this technique
associated to the UV lamp was also able to detect a real delamination, and it’s very advantageous
since it is completely portable and can analyze the defective area of the aircraft in the hangar. Of
the three applied techniques, this is the most economic one.
LT demonstrates to be the technique that can detect a higher number of different defects in the
analyzed specimens, since gave good results in the presence of defects such as metallic and
teflon inclusions, moisture, core cuts, core collapses, areas rich in resin, and as shown the ability
to control the number of fiber layers with different lengths. In addition, when the tests were
conducted on carbon fiber surfaces more defects were identified.
The CR also demonstrates to be a technique capable of detecting different defects since gave
good results in the presence of metallic inclusions, core cuts, disbonds, areas rich in resin, defects
in depth in sandwich structures, voids and since it demonstrated the ability to control the number
of fiber layers with different lengths. Of the three applied techniques, this is the most expensive
one.
Among the three techniques discussed, LT demonstrates a wider applicability, since it detects a
wider variety of defects in the specimens tested, and it has the best relation cost-detectability.
Although not producing as transparent results as CR, it is more economical, portable and isn’t
harmful to human health. To control the production of UAV’s platforms produced in AFA, the
applied technique just needs to have the ability to detect irregularities concerning the structure
pattern, and for that purpose the LT fits perfectly.
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155
STIV.2
OVERVIEW OF NDT CASE STUDIES FOR MATERIAL FAILURE INVESTIGATIONS AND
SERVICE LIFE SUSTAINMENT OF AIRCRAFTS IN THE PORTUGUESE AIR FORCE
Diogo Duarte; Bruno Serrano
Portuguese Air Force Academy
ABSTRACT
NDT assessments and evaluations have been a fundamental tool to assess in material failure
investigations conducted do to accidents or incidents of aircrafts in the Portuguese Air Force.
The Portuguese Air force has operated different aircrafts throughout its´ long existence, and in
some cases, has operated a particular type of aircraft for more than 30 years, gathering a great
amount of expertise in assessing failure modes of the aircraft´s materials and systems, which are,
in some cases, not predicted by the aircrafts manufacturers, and that result from the particular
operation conditions of the aircrafts. These unexpected events are often found during
maintenance of the aircrafts or are risen in an in-flight occurrence that is reported and
investigated.
Additionally, as some of the Portuguese Air Force fleets are ageing, more and more fatigue
and corrosion problems arise in the aircrafts, and as the predicted service life of the aircrafts is
reached, more thorough structural inspections are required to assure the structural reliability of the
aircrafts and the Portuguese Air Force Engineering has developed some interesting work on the
definition of structural inspections that go far beyond the aircraft manufacturers' inspection plans,
in order to support and sustain these more ageing aircrafts.
This work presents a short summary of developed investigations and studies, where NDT
techniques have proven themselves as an extremely powerful tool to determine the root cause of
the failures, as well as to support the service life of the aircrafts as they reach their predicted
design serviceability.
Keywords: Investigations; Service life; NDT assessments and evaluations; aircraft; material
failures; structural inspections.
Chapter 1: Introduction
NDT has been, throughout the years, a fundamental tool used in the aerospace sector, for the
compliance of maintenance programs in order to support not only life on condition based
maintenance programs but also but also safe life based designs.
In fact, the predicted service life of aircrafts often exceeds 40 years, and the initially design
assured life rarely accounts for all in service loads and in service environmental menaces that
ageing aircrafts must deal with throughout their service lives. (Duarte, 2014)
156
From the most conservative safe-life conceptual design approaches to the most recent oncondition based design approaches, NDT inspections are commonly included in the scheduled
maintenance plans to assess the structural condition of the aircrafts during their service lives.
Figure 1 and Figure 2 refer to maintenance hours in 2013 performed by the Portuguese Air Force
in some the fleets 1.
Figure 1 - NDT maintenance hours
Figure 2 - Percentage of NDT hours in scheduled
maintenance plans
In fact, the necessity for NDT inspections in the aircrafts maintenance plans usually increases
during the service life of aircrafts, becoming more and more important in ageing fleets to account
for loads and service conditions that might not have been considered in the initial design, or that
were risen due to operation of the aircrafts that differs from the initially predicted in the design.
This is of particular interest in military aircrafts in which the operational conditions differ
significantly with time, as the type of missions in which the aircrafts are used may change with
time, and where each operational scenario has its own specific conditions. For that reason, the
loads and environmental conditions to which aircrafts are exposed to, are commonly more severe
than predicted in the initial design, and may induce fatigue and corrosion problems that often arise
sooner than expected and in locations where defects were not expected.
In fact, if this was not so, NDT evaluations or even any type of structural detailed inspection to
aircraft structures and parts would be unnecessary in Safe Life design aircrafts, as the assured
design life of the structure, which defines its serviceability, is significantly inferior to the expected
defect initiation.
In fact, for most of the Safe Life Design aircrafts, the assured life of the structures was
calculated based on experimental test based predictions for the material failure. In these
predictions, test Scatter is normally considered through the use of a normal distribution of test data
as follows:
N Assured = 10 [log10 N Pr edicted −3σ ]
1
Does not include F-16 inspections and EH-101
157
For these calculations, the deviation factor (
) strongly conditions the results for the assured
life and is strongly dependent on the number of tests performed (decreasing with the amount of
test data used) and on the similarity of the specimens used in the tests. Nonetheless, for aircraft
structures, experience as shown that a fairly good value for the deviation factor to be used in
service life predictions is 10% (Bruhn, 1973). The use of this type of prediction is rather
conservative and lead to scatter factors of 4, which were commonly used in the design of aircraft
structures.
Additionally, it was commonly accepted that for aircraft parts, most of the fatigue life would be
worn out in the initiation (Bruhn, 1973), and up to 70% of the predicted service life of the parts,
size detectable defects were not expected, and the design would also take it into consideration,
thus reducing even further the serviceability of these aircrafts. Hence, if the design condition loads
used for the predictions fully represented the service life of the aircrafts, NDT evaluations would
not be necessary as they would not be able to identify defects. Nonetheless this is not so, and
NDT evaluations have proven themselves as one of the most powerful tolls in the aircrafts
maintenance programs to find defects in parts and structures that may lead to catastrophic
failures.
As the initially unpredicted loads contribute to the fatigue life consumption of the structure, the
expected defect initiation will result sooner, and will appear during its assured service life. Thus
the probability of failure of the structures approaching the end of the service life may increase
significantly, justifying the increasing number of NDT inspections in the maintenance plans as the
aircrafts become older.
Nonetheless, as mentioned this type of design is extremely conservative, and often leads to
aircrafts reaching the end of the service life in extremely good structural conditions, allowing for
the reassessment and extension of the design service life of the aircrafts. This is of particular
interest in military aircrafts when these ageing systems are considered to remain adequate for the
required purposes, and for which (in some cases) a better solution has not yet been made
available.
In these cases, the military operators are forced to develop strategies to maintain the
serviceability of their systems, extending their initial design service life. The Portuguese Air Force,
has addressed this problem by two different approaches. The first consists of working with the
aircraft manufacturers in order to obtain life extension programs. The other, (which arises as being
of the utmost importance due to the lack of engineering support by the aircraft manufacturers)
consists of working together with other operators. These operators groups share information
regarding flight safety issues, engineering problems, operational procedures, maintenance
practices and fatigue life assessments of the aircrafts, allowing for the development of engineering
capabilities to support the aircrafts serviceability.
For both cases, the extension of the service life of the aircrafts is built upon thorough structural
inspection programs, which are rather extensive regarding NDT inspections. These strategies are
fully in line with the structural integrity programs that have been being developed in the last three
decades for aircrafts reaching the limits of their design service objectives. (Blom, 1993), page 18.
158
Another issue that has been risen in the Portuguese Air Force and which has demanded for a
large amount of NDT inspections, is the refurbishment of ancient aircrafts to flight condition, which
demands full structural assessments, in order to assure their airworthiness, prior to their release to
service.
This review article intends to present a number of case studies where Non Destructive
Testing (NDT), evaluations have been used as the supporting basis for the development of repair
solutions for in-service related problems, as well as for some important decisions within the
Portuguese Air Force, regarding the aircrafts serviceability, aircrafts life extension programs,
aircraft maintenance plans changes, and ancient aircraft refurbishment. This article will regard 7
case studies, as follows Case Study 1 - Alpha JET Life Extension Program (Duarte, 2014); Case
Study 2 - FTB NDT refurbishment; Case Study 3 - C130 Stress Corrosion on the Outer Wing
Upper Spar Cap; Case Study 4 - NDT inspections in Dornier 27-H2 during a structural Tear down
for Refurbishment to Flight Condition; Case Study 5 - C130 - Stress Corrosion fracture on Main
Landing Gear Beam; Case Study 6 – NDT used for the assessment of the repairable area in the
fuselage of an Airbus Military C295-M; Case Study 7 – NDT used for Chrome Plating identification
in the P3 Nose and Main Landing gears.
Chapter 2: Case Studies Presentation
Case Study 1 - implementation of an NDT based structural integrity program for the Fatigue
Safe Life extension of the service life of the Alpha Jet
The Alpha Jet is the Portuguese Air Force aircraft used for most of the advanced flight training
of the pilots. In 2011, the Alpha Jet fleet was reaching the end of the designed Fatigue Safe Life of
the aircrafts, and at the time no alternative for the fleet replacement had yet had been identified,
which posed a problem for the continuity of the flight instruction mission in the Air Force. On the
other hand, they were considered to still remain operationally adequate for their intended purpose
(flight instruction), and it was known that other operators were still flying the aircraft far beyond
their design service life, through a close monitoring of the aircrafts condition, based on strict
structural inspections (Duarte, 2014).
The Portuguese Air Force was, for many years, part of a work group of three operators (CLIA)
established to face some of the problems that were arising as the aircrafts were ageing. This
group exchanged information regarding maintenance and engineering problems and developed
structural inspections to face the problems that were continuously appearing, and with their
implementation being able to continue operating the aircraft safely.
This joint work resulted in the Portuguese Air Force in the development of a structural
inspection program consisting of the NDT evaluation of a total of 80 structural points which were
inspected in accordance with the CLIA fatigue studies, which had been included in the scheduled
maintenance program of the fleet for many years (Marado, 2004).
The implementation of this program demands a close fatigue monitoring of the aircrafts, and in
line with that necessity the Portuguese Air Force has been following the Alpha Jet feet fatigue life
consumption for a number of years.
159
Based on this structural program the Portuguese Air Force confident on the good condition of
the aircrafts and decided to try with the aircraft manufacturer (RUAG) to develop a structural
integrity program that would allow the AJET fleet to remain operating until 2018, thus insuring the
continuity of the flight instruction mission. This program was then sent for the manufacturer
evaluation, along with the fleet inspection results.
From the analysis of this plan, RUAG produced a technical document in which 27 of the 80
inspected points were defined as the necessary SSI´s (Structural Significant Items) to be
inspected in order to support the desired Safe Life extension. This plan was analyzed by the
PRTAF Engineering, and an NDT work package was produced to establish the NDT parameters
for all the 27 inspection points divided in 20 different NDT work cards. The figure 3 presents some
of the inspection points covered in this NDT program.
Figure 3 - Some of most critical AJET inspection areas
Although, all SSI´s were being covered in the inspection program implemented in the PRTAF
maintenance program, the inspection intervals defined by the manufacturer to support the Safe
Life Extension until 2018 were significantly different from the inspection intervals that had been
being used by the Portuguese Air Force to that point.
Although this was not a flight issue matter, as this new inspections were only applicable to
aircrafts exceeding their design service life, and was not still the case, the condition of the aircrafts
that were to remain in service was dependent on the assessment of those 27 SSI´s. To determine
the fleet condition the assessment of the defined inspections was made to every aircraft, and it
was found that all of them required immediate evaluation for most of the defined SSI´s. The figure
160
4 show, for each SSI, the exceeding flight hours when the new inspection intervals are applied to
four aircrafts of the fleet.
Figure 4 - Exceeding flight hours when the new inspection intervals are applied
Completion of this evaluation took approximately two months of NDT work per aircraft,
corresponding to around 265 hours of NDT inspections in the methods of Eddy Currents, Ultra
Sonic Inspections, Fluorescent Liquid Penetrant Inspections and Magnetic Particle Inspections,
covering the necessary 27 SSI´s.
As the implementation of inspection program demanded putting the aircrafts out of service for
a extensive periods of time, and has the aircrafts had not reached their initial safe life limit, the
Portuguese Air Force developed the following plan to perform the due structural inspections:
Aircraft
Completion
Aircraft
Completion
15227
Immediate (27 SSI´s)
15206
Following Inspection (21 SSI´s), Subsequent (10 SSI´s)
15208
Immediate (27 SSI´s)
15211
15220
Following Inspection (27 SSI´s)
15236
15250
15226
15202
161
Case Study 2 – FTB NDT refurbishment
The Portuguese Air Force in 2009 prepared two aircrafts Cessna FTB to be delivered to the
Republic of Mozambique, see figure 5.
Figure 5 - Aircraft preparation
In order to fully guarantee the airworthiness of the aircrafts, and in order to guarantee the
continuous structural airworthiness of the aircrafts a overhaul maintenance was conducted in the
aircrafts. As the aircrafts maintenance action which included NDT inspections had been, over the
years completed with and changed through Airworthiness Directives and several modifications
issued by the manufacturer, the complete NDT inspection program was not, at the time, gathered
in one document of sole application which could, in a simple way, include all the inspections to be
performed in the aircrafts.
Although this was not a problem for the Portuguese Air Force, which had accompanied the
changes throughout the years and was well used to look for the information regarding the
inspections in the various documents among which it was scattered, this could be a problem for an
operator with little or no experience at all in this type of aircraft.
Hence, the Portuguese Air Force decided to, at that time, developed a document which
would gather and resume all information related to NDT inspections to be performed in the aircraft,
which would, on one hand ensure the airworthiness of the aircraft, at the time of the project, and
on the other hand be a document of simple implementation for the future operator.
The NDT work package consisted of 44 work cards that resulted from the analysis of the
inspections previously conducted in the MRO responsible for major structural inspections of the
aircraft, and with all additional inspections predicted in Service Bulletins and in T.O. 1L-2A-36;
Implementation of the developed Work package resulted in 90 hours of NDT work, which resulted
in 1,5 months. The figure 6 give examples of some of the inspection points defined in he produced
NDT work package.
162
Figure 6 - Example of inspection points
163
Case Study 3 - C130 Stress Corrosion on the Outer Wing Upper Spar Cap
During a visual inspection to the upper end of the Center Wing Spar Cap during inspection
at the Portuguese Air Force MRO, corrosion was found in some areas, The MRO proceeded to
remove the corrosion until no signs of corrosion were identified in the damaged area. Inspection
after material removal was made by Penetrant Inspection. After the complete corrosion removal
the remaining width of the cap was assessed by ultrasounds and the aircraft manufacturer was
consulted regarding the acceptability of the component remaining width, as the allowable limits
established for this structural item in the aircrafts repair manual were overcome in several
locations of the part
Based on the results provided the aircraft manufacturer considered that the component
remaining width was not acceptable, and that it should be repaired or replaced, accordingly. Upon
further analysis it was verified that the values considered for the nominal design width of the upper
arm of the cap were not the applicable for the specific cap section, where defects had been found,
and this led to different values of remaining width, which were significantly less severe than the
values provided to the manufacturer for evaluation.
In fact, a new inspection by Ultra Sounds to the cap showed that in this area the width of the
cap was only outside the limits in one specific location ( ranging from 73% to 83% of admissible
design values), extending for approximately 1,25" as shown in figure 7.
Figure 7 - Corroded area
Nonetheless, the area in which the width reduction was encountered, was a specific area in
which the MRO had not performed any type f corrosion removal. In this location a steel strap
exists in order to structurally reinforce the CAP, and the Portuguese Air Force concluded that the
width reduction was probably due to sub-superficial corrosion being developed in-between the
structural components. Thus the MRO was instructed to remove the steel strap and assess the
damage from beneath.
164
Figure 8 - Damaged area
With the strap removed, the MRO was able to inspect from bellow and visually no corrosion
was detected. Again Ultra-sounds was used, but this time from the lower end, and results of
thickness measurement showed that the defect should be an interior delamination probably due to
stress corrosion, as presented next.
In fact this was a problem with which the MRO had come across in one other situation with a
C130 from a different military operator, but it that case, the problem was detected in such an
advance state, that reparability of the part was not possible. See the figures 9 for reference.
165
Figure 9 - Area with corroded members
As the severity of the damage would be directly dependent on the extension of the damage,
reparability of the part would depend on how far the part the delamination would reach, hence the
PtAF Engineering and the MRO agreed upon removing the defect by sectioning the CAP in the
damage area and evaluating the damage extension. After sectioning the CAP it was observed that
the defect was extending further than the removed section, indicating that the defect may extend
to point A (figure 10), and if this was so, reparability of the cap would be compromised in
accordance with the provided instructions from the manufacturer.
Figure 10 - Point A of the damaged area
The MRO proceeded to further cut the CAP section by removing the Forward flange radius
reaching a depth of 0.027" on the large block of material in the center section of the extrusion
(measuring from the fwd face of the lower vertical flange) for the worst case. All corrosion was
removed and accomplished dye penetrant inspection with pre-penetrant etch to remove a
minimum of 0.0002 inches. No further corrosion was found.
166
Figure 11 - Final area after corrosion removal
After this work, the manufacturer was contacted for further technical support, and repair
instructions were provided accordingly, which required the MRO to fabricate a repair filler out of
the cap material, equal to the removed beam cap flange and Shape it fully match the shape of the
beam cap flange cutout, without the need for a second doubler in that area, as the steel strap
would be able to fully support all stress. This repair was a rather simple procedure, and avoided
the massive and expensive procedure for the replacement of the entire cap, which would have
been the case if the NDT assessment had not been used.
Case Study 4 - NDT inspections in Dornier 27-H2 during a structural Tear down for
Refurbishment to Flight Condition
Within the aircraft structural tear down a thorough NDT evaluation of the aircraft condition
was developed, and resulted in the NDT inspection of over 60 Structural points evaluated in 43
NDT Work cards. The figure 12 presents examples of some of the inspection points.
167
Figure 12 - Critical location to be inspected by NDT
During the completion of the inspection program defined, two 5mm long cracks were found
in the engine mounts, which were replaced and a 17 mm stress corrosion fatigue crack was found
in the Wing to Wing attachment frames.
Figure 13 - Damaged wing to wing attachment
Due to the finding of this cracked part, the Portuguese Air Force inspected several aircrafts
(that were dismounted and stored ) were inspected in order to try to obtain a similar part that could
replace the original component. Nevertheless these efforts showed themselves as effortless, as all
similar parts were found to be extensively damaged with several cracks and advanced corrosion.
The solution for the problem, was to replace the cracked part, by a new frame developed by
reverse engineering. The processes used the original frame as template for full geometric
168
capability, and the component material was determined by spectrometric analysis performed by
the IDMEC in IST.
As during the process, all the inspected parts were found to be cracked, and as the
inspection results lead to the identification of the root cause of the problem as being stress
corrosion, the same part in the unique aircraft of this type that was still in service could eventually
be cracked. For that reason, one Ultra sounds inspection procedure was developed by the
Portuguese Air Force Engineering, which resulted in finding the same defect in both frames of the
wing to wing attachment. A conservative evaluation of the structural resistance of the wing
attachment was conducted by the Portuguese Air Force Engineering and a follow up instruction
was developed to be performed every 100 flight hours interval or 12 month interval.
In this inspection, the crack growth is monitored through the evaluation of the damage
dimension based on the DGS (distance, Gain, Size) method, see figure 14. This inspection
started to be implemented in 2008 and the crack has not progressed ever since, allowing for the
aircraft to remain safely in service.
Figure 14 - Inspection procedure
Case Study 5 - C130 - Stress Corrosion fracture on Main Landing Gear Beam
During one eddy current Inspection of the MAIN LANDING GEAR BEAM of one Portuguese
Air Force C130, a defect was found in the most outboard line of bolts in the right side rear main
landing gear beam. The crack was originated in the upper bolt an extended outboard towards the
inner corner of the frame, see figure 15.
169
Figure 15 - Nose main lading gear beam crack
A repair procedure for the MAIN LANDING GEAR BEAM is presented in the Structural
Repair Manual, which consisted of reinforcing the beam through the application of plate type
reinforcements, so that all tension flux is passed through the reinforcements.
Nevertheless this procedure is not applicable if cracks extend outboard of the most outboard
line of bolts, as it could not assure the tension flux of the beam when the fracture , if the crack is
located outboard of the most exterior line of bolts, as it was the case of the defect found. See
figure 16 for reference.
Figure 16 - Defect size and location
As this was a critical item and the amount of work load drawn in the substitution of the entire
frame was substantial , The Portuguese Air Force contacted the manufacturer for technical
support, and a different repair procedure was provided. Again in this particular case, NDT showed
itself as the determining tool in the definition of the type of repair to be applied to the aircraft
structure.
170
Case Study 6 – NDT used for the assessment of the repairable area in the fuselage of an
Airbus Military C295-M
During an aircraft external inspectional between flights it was detected some cracks near the
connection between the aircraft skin and the communication antenna, presented in figure 17.
Figure 17 – Cracks detected visually in the skin where the antenna was attached
The external skin, internal skin and doubler were inspected with eddy current high frequency
to define the exact location of the cracks. In figure 18 it is possible see the crack location in the
external skin after eddy current inspection. Before start the repair of the skin it was necessary
define the cut-out because only after knowing exactly the damaged area it was possible start the
production of the repair patch and shims.
Figure 18 – Crack location after high frequency eddy current inspection
It is important remove all cracks from the external skin because if they are not removed the
existing cracks may propagate due to the fatigue loads caused by the pressurization cycles and
cause a dangerous situation.
171
Figure 19 – Cut out geometry
In figure 19 it is possible see the cut out that removes all the existing cracks. After the NDT
inspection, the sheet metal technicians could start the production of the external patch and shims.
In fact, as the investigation was risen all C295-M aircrafts of the PRTAF were inspected by
Non Destructive Testing (NDT) evaluation and four out of the five aircrafts of this particular version
were found to be cracked. Fatigue cracking was identified in all aircrafts having more than 500
flight hours flown with the FLIR installed, while it did not appear in the aircraft with less than 100
flight hours with this system.
This case shows the importance of the NDT methods to define the cut out areas in situation
where it is necessary remove all the damaged area in aircraft structures repairs. Only with a good
NDT damage assessment before the repair it is possible assure the structural integrity of the
area.
Case Study 7 – NDT used for Chrome Plating identification in the P3 Nose and Main
Landing gears
This case study presents one NDT assessment made in 2011, to one of the P3 aircrafts of
the Portuguese Air Force, regarding the inner diameter treatment of the Portuguese P3 of the
Nose and Main landing gears, see figure 20.
172
Figure 20 - P-3P Landing gears
The Inspection was intended to determine whether the installed landing gears had been
platted chromed on the inner surface of the cylinders. For those cases there had been reports of
failure that had conducted to serious damages. The root cause of the failure had been determined
to be related to fatigue cracking originated due to the crazing resultant from the chrome application
on the inner surfaces of the cylinders for corrosion protection. For that reason, all landing gears on
which this treatment had been applied should be replaced, and a Service Bulletin from the
manufacturer was issued to all operators in order to determine and replace the landing gears that
had been subject to this protective procedure.
The manufacturer service bulletin defined Chrome crazing as a phenomena which was
bound to happen on chrome platted surfaces, and which consisted on the development of multiple
cracking with a random pattern on the inner surface of the component. This cracking could be
assessed by an NDT inspection through pulse-echo ultra-sounds inspection. In this inspection,
crazing cracks will show signals on the time base position correspondent to the thickness of the
part. If chrome crazing was detected during inspection, the part was to be considered as having
been Chrome platted and should be replaced.
The Portuguese Air Force had to conduct such inspection on one aircraft for all Nose and
main landing gears, which were part of the applicability serial numbers of the Service bulletin.
The service Bulletin defined a 10 Mhz probe for the inspection, to be applied to a specific
perspex transducer. The transducer was supplied with the Service Bulletin along with the
calibration standards but the probe was not, and the Portuguese Air Force was forced to use a 5
MHz probe that fitted the perspex shoe instead of the 10 MHz probe prescribed in the
manufacturer procedure.
173
This change required the authorization from the Portuguese Air Force Level III, which
evaluated the Inspection procedure, the type of defect searched, and the methodology used in the
inspection.
As the inspection was evaluating an overall multiple signal left to right movement within a
wide range of the time scale, neither the signal resolution nor the sensitivity were contributing for
the POD of the crazing, which allowed for the change of a 10 Mhz probe for a lower resolution one
without compromising the inspection results. The Portuguese Level III proceeded to evaluate the
signals obtained in the provided standards and conducted the Inspection on the components.
For the Right Hand Main Landing Gear, clear visible indications of chrome crazing were
identified on the inspection area, with amplitudes superior to 50% FSH, with horizontal movement
as prescribed in the inspection instruction. The component is identified as having been Chrome
platted and was replaced, accordingly.
In the Main Left Hand Landing Gear, no indications of chrome crazing were identified. Small
indications were identified (amplitude inferior to 20% FSH), with no horizontal movement as
prescribed in the instruction, which were consistent with the indications obtained in the Non
Chrome-Plated standard when grease or coupling Gel exists on the inner diameter. The
component was identified as not having been Chrome Platted and was not replaced.
In the nose landing Gear, no indications of chrome crazing were identified in the Inspection
areas, however a clear single indication appeared outside the relevant time base range, near the
boundaries of the inspection area, which was not addressed in the inspection instruction. The
signal was attributed to a geometry effect which detection would eventually be related to the fact
that with a 5 Mhz probe the beam spread would be larger allowing for the reflection of signals that
with the 10 Mhz probe would not be present near the inspection area boundaries. The component
was identified as not having been Chrome Platted and was not replaced. The manufacturer was
contacted regarding the finding of the signal identified and agreed with its non relevance,
highlighting that the inspection had been designed for Chrome plating signals and those were the
sole relevant signals that were to put the components out of service.
Figure 21 - Inspection Signals
174
Again in this Case study, NDT evaluation showed itself as the fundamental assessment tool
to provide with the necessary information for a substantiated decision on the replacement of a
main structural part, which replacement cost ascended to 150.000 Dollars.
Additionally this example makes evident the importance of the thorough understanding of
the instructions, the type of defects searched, and the techniques used, in NDT assessments in
the Military Aerospace Sector. In this sector, due to time constraints, material availability, or
operational needs, sometimes there is need for the adjustment of defined instructions, which may
lead to the interpretation of results that had not been so predicted in the inspection initial design. It
is fact this need, that justifies the continuous investment of the Portuguese Air Force in qualifying
one Aeronautical Engineer to became an NDT Technician Level III, every 5 years.
Chapter 3 –Final considerations
This article shows that NDT assumes two major roles within the Portuguese Air Force.
The first is directly related to the continuous airworthiness of the aircrafts, in which NDT are
included in the maintenance plans of the aircrafts assuming a significant percentage of the
maintenance actions performed, as shown in the first Chapter. For this first role, the inspections
are defined by the manufacturer in the maintenance programs or by the Portuguese Air Force,
when experience shows that the particular Portuguese Air Force operational conditions is leading
to defects that had not been predicted by the manufacturer.
The second role is more related to engineering assessments. In this second role, NDT
supports the decision making process of acceptability of defects in structural components. In some
of this structural components, their replacement often demands substantial amounts of work, with
implementation periods that are impossible to cope with, due to the operational needs inherent to
the mission of the Portuguese Air Force. On the other hand NDT arises as essential for the
definition of the repair areas, in the damage assessments that will allow for the designs of the
damage repairs.
One other issue that stands out in this article is that classical NDT methods are yet the ones
that are addressed throughout all the case studies presented. This is so because the article
regards situations that were risen during operation, and due to the inertia of the aircraft industry in
including new technologies for the assessment of damages.
This inertia derives from the difficulty of certifying new technologies in this sector, when
experience has not yet proven their suitability and reliability, making it a rather lengthy process.
Nevertheless, it is known that or some NDT inspections the POD is only adequate if a great
amount of structural work to allow to access certain items in order to perform a certain inspection.
Being so certain inspections can only be performed at major maintenances, when the aircrafts are
torn down, which are only performed with large time intervals, which, in some cases, may show
itself short.
On the other hand, classical NDT methods when used on new materials, such as certain
composites, that are part of the most recent aircraft structures, sometimes are seen to struggle to
efficiently obtain good POD´s.
175
Thus being, one way to overcome these problems is to recur to the continuous structural
health monitoring of certain parts, where adequate POD methods can be a priori included.
In fact, the Portuguese Air Force has not been indifferent to such issues and has
participated in R&D projects that aim for the development of such systems, which are designed to
provide continuous structural information to be integrated with the NDT inspection results from the
scheduled maintenance plans, thus allowing for a closer and more accurate follow up of the
aircrafts structural conditions (Antunes, et al., 2014).
Chapter 4: Conclusions
In this review article, it was shown that NDT plays a key role within the Portuguese Air
Force.
Not only, it contributes for the sustainment of aircrafts, as being a substantial part of
maintenance plans, as shown in the First Chapter where the relative importance of the NDT
inspections is presented for several aircrafts, but also as it was shown to be an essential tool in
engineering various assessments.
Specifically this article showed its importance supporting repair definitions (Case Study 6);
supporting the structural conditions of aircrafts which were to be put back to service (Case Study 2
and Case Study 4); supporting the safe operation of aircrafts beyond their initial design life (Case
Study 1); and supporting important engineering decisions (Case Study 3, Case Study 5 and Case
Study 7).
Additionally, this article (in Case Study 7) evidenced the importance of need for the thorough
understanding of the type of defects searched, and of the techniques used, for some NDT
assessments in the Military Aerospace Sector, that often go far beyond the accomplishment of
inspections and evaluations, justifying the continuous investment of the Portuguese Air Force in
qualifying one Aeronautical Engineer to became an NDT Technician Level III, every 5 years.
Additionally, it was highlighted in the last chapter, that despite the fact that classical NDT
methods are yet the only ones used for the airworthiness guarantee of the Portuguese Air Force
aircrafts in the maintenance plans, the Portuguese air Force is aware that the investment in new
technologies for the assessment of the structural condition of the aircrafts is essential, specially for
aircrafts with new materials in which the classical methods sometimes struggle to obtain good
results in efficient ways.
References
Antunes, P., Dias, G., Viana, J., Dores, D., Cabral, T., Duarte, D., et al. (2014). A Structural Health
Monitoring methodology based on the combination of in-flight and simulated data: A practical
application in helicopter components. AA&S 2014 - The Aircraft Airworthiness & Sustainment
Conference .
Blom, E. A. ( 1993). 14th PLANTEMA MEMORIAL LECTURE, Damage Tole. In - ICAF, Durability
and Structural Integrity of Airframes, Volume I, Proceedings of the 17th symposium of the
international committee on aeronautical fatigue,. stockholm, sweden.
176
Bruhn, E. (1973). “Analysis and Design of Flight Vehicle Structures”,. Jacobs Publishing Inc.
Duarte, D. (2014). An overview of case studies in Sustainment Engineering and Failure Analysis
within the Portuguese Air Force . ICEFA VI - Failure Analysis Sixth International Conference.
Lisboa: Elsevier.
Marado, B. (2004). Aircraft Life Concepts and Life Extension. Setubal, Portugal.
177
STIV.3
ESTADO ATUAL DO DESENVOLVIMENTO DO CENTRO DE FORMAÇÃO PARA ENSAIOS
NÃO DESTRUTIVOS NO SETOR AERONÁUTICO NACIONAL
Rui Simões; Diogo Duarte; Bruno Serrano; Patrícia Pereira
Força Aérea Portuguesa - Direção de Engenharia e Programas
RESUMO
A norma EN 4179 e o Regulamento Europeu CE 2942/2003, Anexo II – Parte 145, pressupõem a
existência de Comités Científicos responsáveis por legislar e controlar os Centros de Formação e
Examinação em END em cada país. O Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos
(CANEND) surgiu em 2006 como entidade reguladora desta atividade a nível Nacional, sendo
reconhecida pelo Instituto Nacional de Aviação Civil (INAC) e pela Força Aérea Portuguesa (FAP)
como a entidade tecnicamente responsável por essa regulamentação.
A FAP pertence ao CANEND com os estatutos formais de membro observador e de membro
efetivo, desde 2010, assumindo presentemente o papel de secretário deste Comité. O Comité é
composto por cinco membros efetivos que representam as Organizações, que à data da sua
criação, detinham as maiores valências técnicas e materiais em END para o Setor Aeronáutico
em Portugal (OGMA, SATA, FAP, TAP e Aerohélice), e tem como membros observadores
representantes as Autoridades Nacionais de Aviação Civil e Militar (INAC e Autoridade
Aeronáutica Nacional), contando ainda com o ISQ como membro honorário.
A atuação do Comité, desde 2006, tem-se centrado no reconhecimento dos Níveis 3 (N3) das
Organizações, no reconhecimento de Centros de Formação e Examinação internos e externos
que reúnam as condições necessárias para ministrar formação e examinação de acordo com os
requisitos da norma EN 4179 e no reconhecimento de examinadores que possuam qualificações,
certificações e experiência adequadas à administração de formação e examinação.
A FAP fez um esforço para implementar um sistema de Formação e de Certificação de pessoal
que refletisse todos os requisitos da norma EN 4179, e que estivesse de acordo com as diretivas
de formação e qualificação definidas pelo CANEND, pelo que presentemente reúne todas as
condições necessárias para se instituir como Centro de Formação e Examinação aprovado por
esse Comité. Especificamente, a FAP tem atualmente capacidade para ministrar formação a
técnicos END do setor aeronáutico, cumprindo com todos os requisitos da norma EN 4179, nos
métodos de Correntes Induzidas (ET), Ultrassons (UT), Líquidos Penetrantes (PT) e Partículas
Magnéticas (MT).
Perspetiva histórica e Evolução
A norma EN 4179 e o Regulamento Europeu CE 2942/2003, Anexo II – Parte 145, pressupõem a
existência de Comités Científicos responsáveis por legislar e controlar os Centros de Formação e
Examinação em END em cada país. O Comité Aeroespacial Nacional de Ensaios Não Destrutivos
(CANEND) surgiu em 2006 como entidade reguladora desta atividade a nível Nacional, sendo
178
reconhecida pelo Instituto Nacional de Aviação Civil (INAC) e pela Força Aérea Portuguesa (FAP)
como a entidade tecnicamente responsável por essa regulamentação.
A FAP pertence ao CANEND com os estatutos formais de membro observador e de membro
efetivo, desde 2010, assumindo presentemente o papel de secretário deste Comité. O Comité é
composto por cinco membros efetivos que representam as Organizações, que à data da sua
criação, detinham as maiores valências técnicas e materiais em END para o Setor Aeronáutico
em Portugal (OGMA, SATA, FAP, TAP e Aerohélice), e tem como membros observadores
representantes as Autoridades Nacionais de Aviação Civil e Militar (INAC e Autoridade
Aeronáutica Nacional), contando ainda com o ISQ como membro honorário.
A atuação do Comité, desde 2006, tem-se centrado no reconhecimento dos Níveis 3 (N3) das
Organizações, no reconhecimento de Centros de Formação e Examinação internos e externos
que reúnam as condições necessárias para ministrar formação e examinação de acordo com os
requisitos da norma EN 4179 e no reconhecimento de examinadores que possuam qualificações,
certificações e experiência adequadas à administração de formação e examinação.
A FAP fez um esforço para implementar um sistema de Formação e de Certificação de pessoal
que refletisse todos os requisitos da norma EN 4179, e que estivesse de acordo com as diretivas
de formação e qualificação definidas pelo CANEND, pelo que presentemente reúne todas as
condições necessárias para se instituir como Centro de Formação e Examinação aprovado por
esse Comité. Especificamente, a FAP tem atualmente capacidade para ministrar formação a
técnicos END do setor aeronáutico, cumprindo com todos os requisitos da norma EN 4179, nos
métodos de Correntes Induzidas (ET), Ultrassons (UT), Líquidos Penetrantes (PT) e Partículas
Magnéticas (MT).
A motivação do Centro de Formação e Examinação
De acordo com os requisitos da norma Europeia EN 4179, a qualificação e examinação dos
técnicos END que realizam inspeções no setor aeronáutico tem de ser feita em Centros de
Formação e de Examinação Reconhecidos pelo NANDTB (National Aerospace Non Destructive
Testing Board) de cada país, sendo que este, em Portugal, é o CANEND.
O CANEND, desde a sua constituição, tem tido como uma das suas atividades primárias o
reconhecimento das Organizações Internas e Externas, Nacionais ou Estrangeiras que reúnem as
capacidades necessárias para ministrar uma formação e examinação que cumpra com todos os
requisitos da norma EN 4179, passando estas a fazer parte de listas emitidas e atualizadas pelo
CANEND, que atestam a adequabilidade técnica, logística e humana das organizações para
ministrarem formação e examinação na área dos END para o Setor Aeronáutico. A figura seguinte
sintetiza este processo de reconhecimento, apresentando as Organizações Nacionais que já
foram submetidas ao processo de reconhecimento pelo CANEND.
179
Figura 1- Processo de reconhecimento dos Centros de Formação e Examinarão pelo CANEND
A garantia de que a formação e a examinação cumpre com os requisitos da Norma EN 4179 é
assegurada pelo processo de reconhecimento dessas organizações e pelo seu controlo através
de auditorias realizadas pelo Comité de três em três anos.
A norma EN 4179 permite que a experiência prévia na realização de inspeções adquiridas pelos
técnicos na realização de inspeções END em aeronaves, ou em componentes de aeronaves,
numa determinada Organização, desde que a formação, examinação e experiência dos Técnicos
seja reconhecida e validada pelo N3 de cada Organização.
Os processos de qualificação reconhecidos pelo CANEND para os Técnicos END em Portugal
são de duas naturezas distintas (interna e externa) podendo ser usados de forma indiferenciada,
desde que realizados em Centros de Formação e Examinação Reconhecidos pelo CANEND.
180
Figura 2 – Processos de Qualificação END aprovados
O controlo do processo de qualificação e a garantia da qualidade da formação dos técnicos END
que realizam inspeções a aeronaves ou componentes de aeronaves de acordo com a norma EN
4179 deve ser feito pelas Autoridades Aeronáuticas competentes através da verificação de que os
Certificados de qualificação e de examinação dos técnicos são emitidos por Organizações com
reconhecimentos pelo CANEND válidos à data da sua emissão.
A forma adotada pelo CANEND para assegurar a qualidade da formação e examinação em END
para o setor aeronáutico passa pela Qualificação dos Técnicos em Centros de Formação internos
ou externos reconhecidos (validados), e por um sistema de examinação em que a Examinação
Teórica (Geral e específica) e Prática dos Técnicos seja feita em Centros de Examinação
reconhecidos pelo CANEND, sendo que a examinação Teórica Específica poderá ser
complementada com exames adicionais administrados internamente pelos N3 das Organizações.
Até à data não existe nenhum Centro de Formação e/ou Examinação Externo Nacional aprovados
pelo CANEND, o que exige às organizações, sempre que necessitem de recertificar os seus
técnicos, enviarem-nos a Centros no estrangeiro o que comporta custos elevados para as
empresas do setor.
Não obstante a capacidade de Examinação Interna da FAP e dos restantes membros do
CANEND é consensual entre os membros que um sistema de examinação único é uma vantajosa
e contribuição para o crescimento integrado e sustentado deste setor a nível nacional. Nesse
sentido tem sido desenvolvido um extenso trabalho pelos membros do CANEND que visa a
criação de um Centro de Examinação Nacional em END para todo o setor aeronáutico capaz de
responder às necessidades de examinação das Organizações. A criação de um Centro de
Examinação Nacional Comum, reconhecido e controlado pelo CANEND, passível de ser utilizado
por todas as entidades do setor, garante a uniformização das matérias avaliadas, assegurando
assim a qualidade da qualificação dos técnicos que realizam este tipo de ações de manutenção,
em concordância com os requisitos da norma Europeia EN 4179 e com Regulamento Europeu CE
2942/2003, Anexo II – Parte 145.
181
A Génese do Centro de Formação e Examinação na Força Aérea
A criação deste centro requer instalações dedicadas e ajustadas à formação, devendo ser dada
primazia a um ambiente de instrução que difere naturalmente dos ambientes operacionais em que
as instalações dimensionadas para a operação usualmente funcionam.
A FAP, fruto de fazer parte da sua missão a formação continuada dos seus militares, criou um
Centro dedicado para a Formação em END para o setor aeronáutico, sendo que estas instalações
existem no Centro de Formação Militar e Técnico da Força Aérea (CFMTFA), e que estão sobre
dimensionadas para as exclusivas necessidades de formação dos técnicos END da FAP,
podendo ser potenciado pelo CANEND para todo o setor nacional, numa perspetiva de aliar
sinergias.
Capacidades instaladas no Centro de Formação e Examinação
O CFMTFA tem presentemente capacidade para formação e examinação de técnicos Nível I e
Nível II nos métodos de ET, PT, UT e MT. O Centro dispõe de instalações dedicadas à formação
prática e teórica dos métodos referidos dispondo de 1 sala de formação dedicada à instrução
teórica e de dois laboratórios dedicados à instrução prática de PT e de MT. A formação teórica
dos métodos de ET e UT é feita com recurso a equipamentos portáteis na sala de formação. O
centro dispõe ainda de capacidade de disponibilização de outras salas de instrução, caso seja
necessário ministrar mais do que um curso em simultâneo.
Figura 3 – Instalações do Centro
182
Correntes Induzidas:

Capacidade instalada para 6 formandos, com 4 equipamentos disponíveis:







1 Nortec 19E;
2 Nortec 2000;
1 Nortec 500.
1 Medidor de condutividades;
Sondas de alta e baixa frequência;
Rotor e sondas diferenciais;
30 Peças para instrução.
Figura 4 –Equipamentos de Correntes Induzidas existentes no Centro
Ultrassons:

Capacidade instalada para 6 formandos, com 4 equipamentos disponíveis:





1 Krauftkramer;
1 Panametrics;
2 Nortec 1000.
Sondas diversas de compressão e shear;
Figura 5 – Equipamentos de Ultrassons existentes no Centro
183
Líquidos Penetrantes:


Capacidade instalada para 8 formandos
1 Linha de Líquidos Penetrantes






Em desenvolvimento duas tinas de lavagem e duas cubas para
penetrantes, adicionais;
2 Cabines de inspeção;
Método lavável por água;
Pós-emulsionável hidrofílico;
Cabine de revelação de pó seco.
54 Peças para instrução
Figura 6 – Linha de Líquidos Penetrantes para instrução
Partículas Magnéticas:





Capacidade instalada para 8 formandos;
1 Linha de Partículas Magnéticas;
1 Bobine de desmagnetização;
2 Ímanes portáteis;
Figura 7 – Equipamentos fixos de Partículas Magnéticas para instrução
184
Figura 8 – Peças de instrução pratica
Capacidade de Examinação:
Segundo a norma EN 4179 as peças destinadas à examinação não podem ser utilizadas para
formação prática e têm que estar devidamente segregadas. Nesse sentido foi criado um banco de
peças CANEND suportada pelos contributos dos espólios das Organizações membros, para
suprir as necessidades de examinação das respetivas organizações. Este banco de peças está
presentemente apenas acessível para as Organizações constituintes deste Comité e que
contribuem com espécimes para a sua manutenção. Todas as peças constantes no banco de
peças estão catalogadas e foram validadas pelos níveis 3 do CANEND, existindo para cada uma
delas uma ficha de registo de resultados que os níveis 3 podem consultar para escolha de peças
com mais ou menos interesse para a administração particular de um ou de outro exame. O banco
de peças de examinação é composto presentemente por:




27 Peças para examinação no método de ET;
25 Peças para examinação no método de UT (13 peças em liga metálica e 12
peças em compósito);
37 Peças para examinação no método de PT;
33 Peças para examinação no método de MT.
185
Figura 9 – Peças de Examinação Segregadas
Conclusões:
Preferencialmente deverá existir um Centro de Examinação Único e Centralizado que reúna
condições adequadas à administração de exames, num protocolo a ser celebrado entre a
entidade examinadora e o Centro de Examinação. A existência de um Centro de Formação
Reconhecido na FAP no CFMTFA, dedicado exclusivamente à formação em END permite as
condições para a sua utilização como infraestrutura de suporte deste Centro de Examinação
Único Nacional para a Realização de Exames na área dos END para todo o Setor Aeronáutico.
Este Centro foi criado com a contribuição das Organizações membro do CANEND, que o
suportam tecnicamente e que permitiram a criação do espólio de peças de formação e
examinação que o centro neste momento possui, assim viabilizando a existência de um Centro
Único desta natureza em Portugal, que contribui de forma significativa para o crescimento
sustentável dos END a nível Nacional.
186
STIV.4
AEND: LA CERTIFICACIÓN AERONÁUTICA EN ESPAÑA, PASADO, PRESENTE Y FUTURO
Fermín Gómez Fraile
Presidente de la Asociación Española de END. Presidente del Comité Español de Normalización en END (AENOR), Presidente del
Comité Técnico del NANTDB español, Cionvenor del WG5 de Partículas Magnéticas del CE/TC 138
(*)
Email:[email protected]
ABSTRACT
Esta presentación contiene las atividades de la Certificación Aeronáutica en Ensayos No
Destructivos en España desde sus incios y la previsible evolución de esta certificación en los
próximos años.
187
SESSÃO TÉCNICA V
STV.1
IDENTIFICAÇÃO DO DANO EM LAMINADOS COMPÓSITO ATRAVÉS DA COMBINAÇÃO DE
DIFERENTES TÉCNICAS
Ricardo de Medeiros1(*), Hernani M.R. Lopes2, Rui M. Guedes3, Mário A.P. Vaz3, and Volnei Tita1
1
EESC-USP, Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, Departamento de Engenharia Aeronáutica, São
Carlos, Brasil.
2
DEM/ISEP, Instituto Politécnico do Porto, Porto, Portugal.
3
FEUP, Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto, Departamento de Engenharia Mecânica, Porto,
Portugal.
(*)Email: [email protected]
RESUMO
A Monitorização da Integridade Estrutural (SHM – “Structural Health Monitoring”) é uma área de
crescente interesse que utiliza abordagens inovadoras para aumentar a fiabilidade dos
equipamenos e reduzir o número de intervenções. Por outro lado, as tarefas de manutenção e
reparação das aeronaves comerciais representam cerca de um quarto dos seus custos
operacionais. Assim, um sistema SHM instalado na estrutura permitirá garantir maior segurança e
fiabilidade, mas também maximizar o intervalo de inspeção para aviões. Portanto, o sistema SHM
permite substituir o habitual plano de manutenção preventiva pela manutenção condicionada,
reduzindo os custos operacionais do avião e prevenindo manutenções desnecessárias. Neste
caso, o emprego de um sistema SHM permitiria uma monitorização contínuo da estrutura,
prolongando a sua vida através do diagnóstico precoce de danos. Uma outra aplicação para um
sistema SHM, consiste em monitorar de partes da aeronave cujo acesso é difícil. Trata-se muitas
vezes de elementos críticos de segurança estrutural, que durante inspeções programadas,
requerem ampla desmontagem, acarretando custos e tempos de paragem elevados. Além disso,
baseado no completo histórico de ocorrência, o sistema SHM também pode realizar um
prognóstico da estrutura, prevendo a vida remanescente e a sua resistência residual. Diante
desse cenário, o objetivo geral do trabalho consiste em desenvolver um metodologia capaz de
identificar, localizar e quantificar o dano em estruturas fabricadas em material compósito, através
da combinação de diferentes técnicas. Primeiramente, métodos baseados na resposta vibratória
são aplicados com objetivo de identificar a ocorrência ou não de dano na estrutura. Tendo como
esse objectivo em mente, foram realizados em ensaios experimentais em placas retangulares
laminadas em fibras de carbono e resina epóxi. Três diferentes tipos de dano foram avaliados:
dano provocado por impacto, dano no processo de fabricação (furo central) e delaminação.
Sendo que este último foi provocado pela inserção de uma camada de teflon na região danificada,
durante o processo de fabrico. O primeiro passo é a identificação das frequências naturais a partir
da medição das Funções de Resposta em Frequência (FRFs) das estruturas intacta e danificada.
Para tal, é utilizado excitação transiente causada pelo martelo de impacto, sendo a aquisição da
resposta realizada através de quatro sensores piezoeléctricos montados na superfície em
posições previamente definidas. Os resultados foram analisados por meio de diferentes métricas
de dano, sendo estas comparadas em termos de sua capacidade de identificação de danos na
estrutura. Em seguida procedeu-se à localizar e identificar da dimensão do dano recorrendo à
técnica ótica de Shearography Speckle (SS). Esta técnica tem demonstrado grande potencial na
detecção de dano em estruturas laminadas compósito. A identificação do dano a partir das
191
medições realizadas com a técnica SS, tem por base a análise das perturbações no campo de
rotações causada de heterogeneidade das propriedades do material. Estas deformações
anormais podem ser verificadas como deformações típicas de componentes defeituosos. A SS é
um método de interferometria laser sensível ao gradiente de deslocamento de uma superfície na
direção fora do plano. Sob a ação de um pequeno carregamento, a estrutura é deformada e a
presença de defeitos/dano é revelada através de singularidades locais do campo de deformação
observado à superfície. Por fim, apresenta-se as vantagens e limitações da utilização de métodos
baseados em vibrações combinados com a Shearography Speckle no contexto de SHM
INTRODUÇÃO
A indústria aeronáutica é uma das mais inovadoras e sempre se vê obrigada a introduzir novos
materiais (por exemplo: materiais compósitos) e novas tecnologias (por exemplo: estruturas
inteligentes). Porém, ao mesmo tempo deve sempre atender a requisitos de certificação
aeronáuticos a fim de garantir a aeronavegabilidade dos seus produtos. Dessa forma, o projeto
aeronáutico torna-se extremamente desafiador, pois se por um lado, o mesmo visa à redução de
custos de manutenção, a redução de peso da aeronave e dos custos diretos de operação, por
outro lado, deve-se estar em conformidade com regulamentos rigorosos de aeronavegabilidade.
Dentre as filosofias de projeto existentes atualmente, destacam-se: a “safe life” (vida segura) e a
“damage tolerance” (tolerância ao dano). Em ambas as filosofias, principalmente esta última,
preveem-se períodos de inspeção para regiões críticas da aeronave. No entanto, com base na
literatura e na experiência de fabricantes e operadores, sabe-se que grande parte do custo
associado às inspeções pode ser drasticamente reduzida, através do emprego de um sistema de
manutenção acertadamente programado. Esta é uma tarefa muito difícil de ser atingida,
principalmente, quando são usadas estruturas fabricadas em material compósito.
Diante do cenário supracitado, o monitoramento da integridade estrutural (SHM – “Structural
Health Monitoring”) surge como uma alternativa viável para não somente minimizar o número de
inspeções periódicas, mas também para maximizar os acertos referentes às inspeções
programadas. Portanto, o monitoramento da integridade estrutural pode substituir a manutenção
programada por uma manutenção efetuada quando realmente necessário, reduzindo assim, o
custo de operação da aeronave e prevenindo manutenções não previstas, que são altamente
indesejadas. No caso específico de estruturas em material compósito fabricadas em fibras de
carbono e resina epóxi, pode-se projetar a mesma com a inclusão de sensores, por exemplo,
fibras de Bragg. Tais fibras constituem assim, em um sistema que permite monitorar a integridade
estrutural e pode auxiliar na identificação e localização de um dano, bem como, na previsão da
extensão do mesmo. Portanto, o sistema SHM deve ser capazes de informar, a cada momento e
durante a vida útil de uma estrutura, sobre o "estado" das diferentes partes ou do conjunto que
constituem a estrutura como um todo. Esse “estado” da estrutura deve permanecer no domínio
especificado no projeto, embora isso possa ser alterado pelo envelhecimento normal, provocado
pelo uso, ação do meio ambiente e por eventos acidentais. Com base no histórico completo de
eventos ocorridos, tem-se que o sistema SHM também pode fornecer um prognóstico do “estado”
da estrutura, informando, por exemplo: a vida, a resistência e a rigidez residual. Assim, conhecer
a integridade de estruturas em serviço e em tempo real é um objetivo muito importante para os
fabricantes (equipes de projeto) e para os operadores (equipes de manutenção). Principalmente,
192
se a estrutura em estudo é fabricada em material compósito, pois, neste caso, a previsão dos
mecanismos de dano e falha durante a etapa de projeto é extremamente complexa. Refira-se que
as estruturas em material compósito apresentam não somente anisotropia, mas também
heterogeneidade, acarretando assim em um processo de falha singular (Tita, 2003; Tita et al.,
2008).
Os sistemas de monitoramento da integridade estrutural (SHM) destacam-se pela variedade de
técnicas, que podem ser adotadas e combinadas para melhor caracterizar o comportamento da
estrutura. Por consequência, constata-se, assim, uma diversidade de estruturas e materiais
desenvolvidos para monitorar os danos. Tais danos comprometem sensivelmente a segurança do
voo e podem ser decorrentes do processo de envelhecimento das estruturas. Neste caso, o
emprego de um sistema SHM permitiria fornecer um monitoramento contínuo da estrutura,
prolongando a vida da mesma através do diagnóstico precoce de danos. Outro emprego
extremamente estratégico para um sistema SHM consiste em monitorar regiões da aeronave cujo
acesso é difícil. Trata-se muitas das vezes de elementos críticos de segurança estrutural, que
durante inspeções programadas, requerem ampla desmontagem, acarretando um custo elevado
da tarefa de manutenção. Sendo que tal aspecto é válido tanto para estruturas metálicas como
estruturas em material compósito.
A simples instrumentação e desenvolvimento de novas técnicas de identificação impulsionaram o
desenvolvimento nos últimos anos de sistemas SHM com base nas mudanças nas características
de vibração da estrutura. Avanços importantes neste campo tem sido discutidos por Doebling et
al. (1996); Salawu (1997); Doebling et al. (1998); Zou et al. (2000); Carden and Fanning (2004);
Montalvão et al. (2006); Worden et al. (2008); Fan and Qiao (2011); Liu and Nayak (2012), que
apresentaram revisões abrangentes sobre sistemas SHM.
Por outro lado, as técnicas de interferometria óptica têm sido largamente investigadas nas últimas
quatro décadas, provaram ser ferramentas robustas e muito eficazes na inspecção não destrutiva
de estruturas (Hung, 1997; Hung and Dahuan, 1998; Sirohi et al., 1999; Gomes et al., 2000;
Santos et al., 2004). As técnicas ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) e Shearografia
(Speckle Shearography) são dois exemplos de interferómetros ópticos actualmente utilizados
para a inspecção não destrutiva de estruturas em material compósito. Estas são técnicas de
campo que permitem medir a informação sobre uma superfície e localizar facilmente as
perturbações da sua resposta estrutural. O princípio da técnica Shearografia foi pela primeira vez
demonstrado por Leendertz e Butters (1973) através da construção do interferómetro Michelson
para medir a rotação numa superfície. A Shearografia é sensível ao gradiente dos deslocamentos
fora-do-plano, pois o gradiente dos deslocamentos medido pode assumir-se como uma boa
aproximação ao campo de rotações da superfície (Kreis, 2005). A detecção de danos com esta
técnica é baseada na comparação de dois estados de deformação do objecto. Neste processo,
diferentes métodos de excitação são usados dependendo do tipo de defeito e do material
utilizado. A eficácia destas técnicas depende de vários factores, designadamente: características
do material, natureza do defeito e método de excitação dos deslocamentos fora-do-plano. Na
grande maioria dos casos, as fontes de excitação térmica, depressão ou impacto são as mais
eficazes na localização de descolamentos interlaminares (Hung, 1997; Gomes et al., 2000;
Santos et al., 2004; Ambu et al., 2006; Araújo dos Santos et al., 2006; Schmidt, 2009; Lasik et al.,
2011; Balamurugan and Muruganand, 2013).
193
No entanto, uma técnica global para a caracterização do dano em materiais laminados
compósitos ainda não está estabelecida, devido à heterogeneidade do material e complexidade
do problema. Por outro lado, as técnicas baseadas na análise das perturbações no campo de
rotações e curvaturas tem avançado, como mostra Araujo et al. (2008), Lopes et al. (2011). Mais
recentemente têm sido propostas derivadas de alta ordem para a localização do dano, Abdo
(2012). Por outro lado as técnicas de medição de campo têm mostrado grande potencial na
caracterização da resposta da estrutura, permitindo definir novas metodologias para a
caracterização do dano estrutural.
Com base nestas ferramentas, diferentes trabalhos têm sido desenvolvidos por alguns dos
autores do presente trabalho. Medeiros et al. (2012) estudou métricas e técnicas para o
monitoramento de dano de uma viga encastrada-livre de alumínio. Medeiros et al. (2013)
investigou a variação da resposta estrutural devido a presença de dano por impacto em estruturas
cilíndricas de compósito. Medeiros et al. (2014a) estudou investigou juntas de compósito e titânio
soldadas através dos métodos baseados em vibrações. Medeiros et al. (2014b) investigou o
comportamento dinâmico de placas de compósito sujeitas ao dano provocado por carregamento
de impacto. Neste trabalho apresenta-se uma metodologia experimental capaz de identificar,
localizar e quantificar o dano em estruturas fabricadas em material compósito, através da
combinação de diferentes técnicas. Primeiramente, métodos baseados na resposta vibratória são
aplicados com objetivo de identificar a presença de dano na estrutura. Em seguida, buscou-se
localizar e identificar a dimensão do dano, recorrendo à técnica ótica de Shearography Speckle
(SS). Por fim, apresentam-se as vantagens e limitações da utilização de métodos baseados na
resposta vibratória no contexto de SHM.
MONTAGEM EXPERIMENTAL
As análises experimentais foram realizadas em 4 placas de material compósito. Sendo que duas
apresentavam oito camadas empilhadas a [0]8 e duas com 12 camadas empilhadas a [0/15/15/0/15/-15]s. Os corpos-de-prova são fabricados em fibra de carbono e resina epóxi (CFRP –
Carbon Fiber Reinforced Polimer). As placas possuem 305mm de comprimento 245mm de
largura, sendo que as duas primeiras têm 2,25mm e as restantes 3,30mm de espessura,
respectivamente. A Tabela 1 sumariza a matriz experimental desenvolvida neste trabalho.
Tabela 1 Descrição das placas
ID Placa
Sequencia
Empilhamento
Tipo de Dano
Comprimento [mm]
Largura
[mm]
Espessura
[mm]
P01
[0]8
Impacto
305
245
2,25
P02
[0]8
Impacto
305
245
2,25
P03
[0/15/-15/0/15/-15]s
Impacto
305
245
3,30
P04
[0/15/-15/0/15/-15]s
Impacto
305
245
3,30
194
Primeiramente, as frequências naturais e as Funções de Resposta em Frequência (FRFs) para
estrutura intacta e danificada por impacto são obtidas usando 4 transdutores piezoeléctricos (Fig.
1). O transdutor é do tipo MFC (Macro Fiber Composite) modelo M2814-P1, desenvolvido pela
Smart Material Inc., o qual usa o modo d33 de piezeletricidade. Sabendo-se que o transdutor
possui uma camada de fibra incorporada numa estrutura de polímero, o mesmo apresenta uma
geometria total de 38mm de comprimento, largura de 20mm e 0,305mm de espessura. No
entanto, devido ao encapsulamento, o mesmo têm uma geometria ativa de 28mm de
comprimento e largura de 14mm. A excitação para os dois conjuntos de testes de vibração foi
criada por meio de um sinal impulsivo gerado através do impacto de um martelo PCB Modelo
0860C3 (Piezotronics). A excitação foi realizada na posição 1 no lado de trás da placa.
Fig.1 Representação esquemática da montagem experimental para análise de
vibração
A Figura 2 mostra os equipamentos utilizados na montagem experimental. O corpo-de-prova é
suspenso por dois fios elásticos com objectivo de simular uma condição próxima de livre-livre. O
transdutor piezelétrico e o martelo de impacto estão ligados ao equipamento de aquisição
dinâmico de sinal LMS SCADAS Mobile, o qual é controlado pelo Software Test.Lab (LMS
Test.Lab). Todo sinal registrado pelo equipamento consiste em 2048 pontos de amostragem para
uma banda de frequências de 0-512 Hz. Além disso, para eliminar os efeitos de não linearidades
e reduzir o ruído, os sinais são obtidos a partir de uma média aritmética de 5 registros para cada
análise.
195
Fig.2 Montagem experimental para análise de vibração das placas
Após a análise da resposta vibratória, com o fim de determinar de forma mais precisa a presença,
a localização e a extensão do dano na estrutura, procedeu-se à aplicação da técnica ótica de
Shearography Speckle para localizar e quantificar o dano na estrutura. Neste caso, foi utilizada a
técnica de modulação temporal de fase para aumentar a resolução da técnica e, assim, medir o
mapa de fase correspondente ao campo de rotações produzido para um dado carregamento
térmico. Para uma solicitação uniforme e na ausência de danos, a resposta na placa apresenta
um comportamento uniforme para o campo de rotações, algo que não acontece na presença de
dano. Esta descontinuidade de material ao longo da espessura manifesta-se através de uma
perturbação na amplitude do campo de rotações nessa região, a qual resulta da expansão
térmica e/ou da diminuição da rigidez à flexão da placa (Lopes, 2007).
Neste ensaio a placa é fixa numa das extremidades a um suporte de elevada rigidez e montada
sobre uma mesa óptica da Newport® de modo a conferir maior estabilidade à montagem e à
medição experimental (Fig. 3). O campo de rotações obtido pelo registro anterior e posterior à
solicitação térmica é medido pelo sistema Shearografia, sendo o mapa de fase calculado
recorrendo à técnica de modulação temporal de fase. A solicitação térmica é aplicada numa das
faces da placa através do aquecimento da superfície durante 5 segundos com uma lâmpada de
500 W. Neste processo, a evolução das franjas correspondentes ao campo de rotações é
acompanhada pela visualização em tempo real do mapa de interferência, obtido pela subtracção
entre a imagem capturada em cada instante (imagem da deformada) e a primeira imagem
gravada (imagem de referência). O conjunto das imagens no tempo é processado através das
técnicas de cálculo de fase e filtragem de fase.
196
Fig.3 Montagem experimental da análise por Shearography Speckle.
RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Tabela 2 apresenta as diferentes frequências naturais medidas pelos transdutores
piezoeléctricos, sendo estas obtidas para as placas intactas e danificas. É possível observar que,
para as placas 1 e 2, o segundo e o terceiro modo apresentam significativas diferenças nas
frequências. Isto deve-se ao fato da presença do dano alterar a rigidez da estrutura nestes
modos. Entretanto, para as placas 3 e 4, é possível observar que as mesmas não apresentam
grandes variações. Tal comportamento pode ser explicado pela diferença de empilhamento do
laminado.
197
Tabela 2 Frequências naturais obtidas experimentalmente para as placas intactas e danificadas
ω1 [Hz]
Placa 1
Placa 2
Placa 3
Placa 4
st
ω2 [Hz]
st
ω3 [Hz]
ω4 [Hz]
nd
nd
ω5 [Hz]
Modo
1 torsão
1 flexão
2 torsão
2 flexão
3rd torsão
Intacta
61,7
154,7
165,2
226,0
254,7
Danificada
63,9
128,8
159,2
225,3
255,2
Diferença relativa
3,57%
16,74%
3,63%
0,31%
0,04%
Intacta
58,4
147,8
156,7
224,9
250,7
Danificada
62,2
121,5
148,8
222,6
249,8
Diferença relativa
6,51%
17,79%
5,07%
1,02%
0,36%
Intacta
106,3
145,7
264,9
332,5
381,4
Danificada
108,9
145,6
267,3
332,8
383,4
Diferença relativa
2,45%
0,07%
0,91%
0,09%
0,52%
Intacta
107,5
147,4
267,6
332,7
384,1
Danificada
110,8
147,6
270,2
333,3
387,5
Diferença relativa
3,07%
0,14%
0,97%
0,18%
0,89%
As Figuras 4 e 5 apresentam as FRFs para a estruturas intacta e danificada, respectivamente.
Sendo que os dados foram obtidos através dos transdutores piezoeléctricos posicionados de
acordo com a Fig. 1. É importante notar que Hij indicam o ponto de aquisição dos dados (i) e o
ponto de excitação da estrutura (j), evidenciados na Fig 1.
Fig.4 FRFs obtidas para as placas intactas através dos transdutores piezoeléctricos
198
Fig.5 FRFs obtidas para as placas danificadas através dos transdutores
piezelétricos
A Figura 6 apresenta, para as placas 1-4, a comparação entre a estrutura intacta e danificada
para a posição 1, ou seja H11 (conforme Fig. 1).
Fig.6 Comparação entre a estrutura intacta e danificada considerando H11
Considerando as frequências naturais e as FRFs apresentadas nas Fig. 4-6, é difícil concluir a
partir de uma observação direta se a estrutura apresenta dano. Assim, foi necessário recorrer a
uma métrica de dano, a qual foi proposta por Da Silva et al. (2008). Esta métrica é obtida pela
análise da resposta em frequência a partir dos dados de entrada e saída. A métrica é um índice
com base no desvio quadrático médio (RMSD). Este índice de dano foi inicialmente proposto para
199
o sinal de impedância elétrica, entretanto, no presente trabalho foi adaptado para ser utilizado em
análise de vibração. A expressão indica que valores superiores a zero ocorrerão se houver
alguma variação na resposta estrutural, e iguais zero se a estrutura não apresentar danos. A
Tabela 3 apresenta os resultados para as diferentes placas e posições dos transdutores
piezoeléctricos. Nesta é possível observar que as placas com empilhamento a [0]8 apresentam
um índice de dano mais elevado quando comparado com as placas com empilhamento [0/15/15/0/15/-15]s. Tal comportamento pode ser explicado pelo empilhamento do laminado, enquanto
que nas placas a [0]8 tem um dano de matriz propagando-se ao longo das fibras na região de
impacto. Nas placas com sequência de empilhamento [0/15/-15/0/15/-15]s, o dano é concentrado
na região de impacto.
Tabela 3 Índice de Dano
Danificada
Placa
Intacta
H11
H21
H31
H41
P01
0,00
0,3049
0,5147
1,1240
1,4743
P02
0,00
0,3364
0,4324
1,5299
2,6301
P03
0,00
0,0762
0,2162
0,1953
0,1906
P04
0,00
0,0971
0,1562
0,3114
0,2004
Após a verificação se a estrutura está danificada, o próximo passo é a aplicação da técnica
shearoragrafia para através da análise das perturbações no campo de rotações localizar e
quantificar de forma aproximada a extensão do dano na estrutura. Os mapas de fase depois de
filtrado obtido para uma solicitação térmica com gradiente Δx =10mm podem ser observados nas
Fig. 7 e 8.
(a)
(b)
Fig.7 Mapa de fase Δx = 10mm obtido para (a) Placa 1 e (b) Placa 2
200
(a)
(b)
Fig.8 Mapa de fase Δx = 10mm obtido para (a) Placa 3 e (b) Placa 4
A análise dos padrões de franjas no mapa de fase da Fig. 7 revela a presença de um dano,
coincidentes com a localização dos impacto. Assim como, a análise dos padrões de franja no
mapa de fase da Fig. 8. É possível verificar que devida a sequência de empilhamento as placas 1
e 2 apresentaram dano ao longo da fibra. Enquanto as placas 3 e 4 apresentaram dano
concentrado na região de impacto.
CONCLUSÕES
Neste trabalho procurou-se desenvolver uma metodologia capaz de identificar, localizar e
quantificar o dano em estruturas fabricadas em material compósito, através da combinação de
diferentes técnicas experimentais. Primeiramente, utilizou-se a técnica baseada na análise das
FRFs para identificar o dano na estrutura, em seguida utilizou-se a técnica ótica interferométrica
para através da análise das perturbações no campo de rotações localizar e quantificar de forma
aproximada a extensão do dano na estrutura.
Com base nos resultados obtidos, conclui-se que a aplicação de métodos baseados nas FRFs
permite de modo eficaz detectar o dano em placas de material compósito, desde que o mesmo
seja combinado com o cálculo de métricas de dano. Este método tem a vantagem de ser
facilmente implementado e apresentar um baixo custo. Além disso, o mesmo apresenta uma
informação sobre o estado global da estrutura.
A técnica de Shearografia Speckle revelou-se muito eficaz na localização de danos de pequena
dimensão, os quais muitas vezes não são detectados através de inspeção visual. Além disso,
esta técnica pode realizar uma investigação rápida e traz outros benefícios, como o facto de
realizar a medição sem contato e de campo. A técnica demonstrou ser uma boa alternativa para
estimar danos em estruturas laminadas, principalmente para danos do tipo delaminação, ruptura
da fibra e da matriz.
Portanto, a metodologia proposta baseada na resposta em frequência combinada com a técnica
interferométrica de shearografia pode ser utilizada para detectar, localizar e, principalmente,
201
fornece uma estimativa da extensão dos danos em estruturas de material compósito, podendo vir
a ser integrada a sistemas SHM.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP
Processo n°. 2012/01047-8) e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
(CAPES Processo n°. 011214/2013-09) pelo financiamento do presente trabalho de pesquisa.
Além disso, os autores agradecem, também, ao CNPq e a FAPEMIG pelo financiamento parcial
através do INCT-EIE. Os autores gostariam de destacar que este trabalho também foi
parcialmente financiado pelo Programa USP/UP, que é um acordo de cooperação científica
estabelecida entre a Universidade do Porto (Portugal) e da Universidade de São Paulo (Brasil).
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204
STV.2
AS TÉCNICAS ÓPTICAS E
INTEGRIDADE ESTRUTURAL
OS
NOVOS
CONCEITOS
NA
MONITORIZAÇÃO
DA
Jaime Monteiro1(*), Mário Vaz2, Hernani Lopes3
1
Instituto de Engenharia Mecânica e Gestão Industrial (INEGI), Porto, Portugal
2
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), Porto, Portugall
3
Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP), Porto, Portugal
(*)
RESUMO
Nos últimos tempos tem surgido uma preocupação crescente com a avaliação e monitorização da
integridade estrutural. Dentro destas técnicas as técnicas de imagem têm vindo a assumir um
papel de relevo na inspeção não destrutiva de componentes. Especial destaque é devido às
técnicas de interferometria holográfica, de termografia ativa e passiva e correlação digital de
imagem. A sua aplicação sem contacto e com medições de caráter global recomendam-nas para
diversas situações em que a interferência com o comportamento do objeto deve ser minimizada.
Para além destas técnicas de imagem, outra baseada na tecnologia de fibra óptica e nos
sensores de Bragg tem surgido como técnica de grande potencial na monitorização estrutural,
principalmente quando operadas segundo sistemas de telemetria. Neste trabalho faz-se uma
análise comparativa destas técnicas e na sua aplicação prática.
INTRODUÇÃO
Impulsionadas pelas exigências de fabrico, estão hoje em dia disponíveis várias técnicas de
Inspecção Não Destrutiva INDT. Estas técnicas estão classificadas em diferentes categorias.
Dentro das técnicas de imagem, as técnicas de interferometria laser, nomeadamente
(Sherography e ESPI), a termografia, quer seja passiva ou activa e a correlação de imagem têm,
nos últimos anos, surgido como ferramentas válidas de enorme potencial na análise da
integridade estrutural e com aplicação nas mais variadas áreas, tais como: aeronautica,
aeroespacial, médica, eletrónica, automóvel, construção, etc.
Sendo técnicas de imagem são utilizadas na avaliação estrutural do material sem afetar a sua
integridade física uma vez que todo o processo de estimulação e aquisição é feito sem contato.
Tanto as técnicas de interferometria como a correlação de imagem são baseadas na análise dos
padrões de deformação. Por sua vez a termografia ativa e passiva é baseada na análise dos
padrões de temperatura. Na Fig. 1 podem ver-se os resultados obtidos com ambas as técnicas na
deteção de alguns defeitos contidos numa placa e colocados a diferentes profundidades.
Uma outra técnica de monitorização estrutural apoia-se na utilização de sensores ópticos
discretos que são uma versão em fibra óptica do extensómetro eléctrico, possuindo no entanto
uma série de vantagens, entre as quais se podem destacar: imunidade electromagnética,
isolamento eléctrico, baixo peso, flexibilidade, resistência, etc., tem vindo a ganhar terreno às
técnicas convencionais. Estes sistemas e esta tecnologia têm encontrado aplicações nas mais
diversas áreas desde a aeronáutica, aeroespacial, civil, etc.
205
O sistema representado na Fig. 2, é um sistema desenvolvido no âmbito do projecto WindMeter,
em colaboração com a empresa Fibersensing e o INEGI como consultor tecnológico em
monitorização estrutural em geradores de energia eólica. O sistema de monitorização
desenvolvido é baseado nos sensores de Bragg, e é composto por 1 unidade de medição por
“hub” e 4 sensores de deformação por pá, incluindo ainda sensores de temperatura para
compensação dos efeitos. Neste sistema as deformações nas pás são obtidas em tempo real
com o gerador a funcionar.
Os resultados obtidos na aplicação destas técnicas têm demonstrado o grande potencial destas
técnicas na análise e monitorização da integridade estrutural. Quando comparadas, apresentam
vantagens e desvantagens podendo complementar-se e constituir assim ferramentas com
elevadas capacidades na análise da integridade de estruturas, com aplicação nas mais diversas
áreas.
Fig.1 Imagens obtidas por Shearography e termografia ativa lock-in respetivamente, na análise de uma placa
compósita com diversos defeitos.
Fig.2 Sistema de monitorização estrutural WindMeter, array de sensores e interrogador.
206
REFERÊNCIAS
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207
STV.3
BIODIESEL PROPERTIES CHARACTERIZATION BY ULTRASOUND SPEED
Jaime B. Santos a, Maria del Carmen Talavera-Prieto b, Abel G.M. Ferreira b, Mario J. Santos a
a
Department of Electrical and Computers Engineering, University of Coimbra, Polo II, Rua Silvio Lima, 3030-970 Coimbra, Portugal
b
Department of Chemical Engineering, University of Coimbra, Polo II, Rua Silvio Lima, 3030-970 Coimbra, Portugal
ABSTRACT
Unlike the petrodiesel, biodiesel is a renewable fuel offering important benefits including reduction
of green-house emissions, biodegradability, and non-toxicity. Biodiesel shows total miscibility with
petrodiesel and compatibility with modern engines. However, property changes associated with
the differences in chemical structure between biodiesel and petroleum-based diesel fuel may
change the engine’s injection timing.
The properties that will have the greatest effect on the fuel injection timing are the speed of sound,
the isentropic bulk modulus, and the viscosity. The objective of this study was to measure the
ultrasound speed of biodiesel and the pure esters that are the constituents of biodiesel at
atmospheric pressure from a minimum of 288.15 K to a maximum of 353.15 K. The results were
then combined with available density data from literature to calculate the isentropic compressibility
and the molecular compressibility of esters and biodiesel. The results for molecular compressibility
evidenced an almost independent behaviour versus the temperature for the considered.
INTRODUCTION
Biodiesel is currently of interest due to high energy demand, the limited resource of fossil fuel and
environmental concerns. Made from vegetable oil, such as cottonseed oil, soybean oil, rapeseed
oil or animal fat, biodiesel is a renewable, biodegradable, non-toxic and clean-burning fuel,
producing favourable effects on the environment [1]. The most common method for producing this
fuel is transesterification, a chemical process in which an alcohol, usually methanol, reacts with
triglycerides to generate biodiesel and the by-product, glycerol in the presence of catalyst, usually
alkaline (sodium hydroxide or potassium hydroxide) [2,3]. The biodiesel fuel must meet
specifications contained in biodiesel standards, such as the (ASTM) D6751 and the EN14214 in
Europe. Some of these specifications are related to the fuel quality such as completeness of
transesterification reaction, storage conditions and other important properties as viscosity, density,
oxidative stability, cetane number, and cold flow properties, depending all on the fatty acid
composition of biodiesel. All injection process is strongly influenced by the thermophysical fuel
properties. The properties of major influence in the injection time are the surface tension [4], the
viscosity, and the isentropic bulk modulus [5], which is determined by the sound speed. Therefore,
for the accurate design and maintenance of injection systems, the accurate knowledge of the
sound speed of the fuel plays an important role. This work aims to evaluate the sound speed of
the biodiesel fuels.
208
Five synthetic biodiesel samples composed by different esters were prepared, and also a cotton
seed biodiesel sample was produced by transesterification of the cotton seed oil. The respective
speed of sound was measured by using a cell. The results are reported at atmospheric pressure
and temperatures ranging from 298.15 to 353.15 K. The speed of sound was combined with
density to calculate the isentropic and molecular compressibility for the biodiesel samples studied
in this work. The experimental speed of sound in synthetic samples and in the produced
cottonseed biodiesel are shown in Fig. 7. It can be observed that they fall in a narrow range of
ca.11 m.s-1, and this range is almost independent of the temperature. The results for molar
compressibility are presented in Fig. 8 versus temperature. It is clearly observed the molar
compressibility (km) is an almost constant function of temperature.
1400
7.04
7.00
6.96
1300
km.103
u/(m.s-1)
1350
6.92
6.88
1250
6.84
1200
290
300
310
320
330
340
350
6.80
290
360
Fig. 7. Speed of sound of biodiesel (u) as function of
temperature (T). Legend: ∆, SCS; ∇, SBT ; ○, SPF; □,
SYGI; +, SYGII;
300
310
320
330
340
350
360
T/K
T/K
, PCS; (──) conventional diesel.
Fig. 8. Molar compressibility (km) of
biodiesel as a function of temperature (T).
▲,SCS; ▼, SBT; ●, SPF; ■, SYG1;
,
SYG2, ♦, PCS.
The sound speed for six biodiesel fuels were measured at temperatures ranging from 298 to 353K
and at atmospheric pressure using a new non-intrusive method. The speed of sound of the
biodiesels is very well described by polynomial quadratic equations in temperature. The molar
compressibility is a very weak function of temperature and can be considered as a constant
depending on the substance over wide temperature ranges.
It is expected that the prediction methods here developed for molar compressibility and speed of
sound could produce useful correlations for other biodiesel properties as the cetane number and
other exhaust emission related issues.
209
ACKNOWLEDGMENTS
This research is sponsored by FEDER funds through the program COMPETE – Programa
Operacional Factores de Competitividade – and by national funds through FCT – Fundação
para a Ciência e a Tecnologia –, under the project PEst-C/EME/UI0285/2013.
REFERENCES
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210
STV.4
ULTRASONIC ATTENUATION MEASUREMENTS IN CAST IRON
Mário Santos and Jaime Santos
Mechanical Engineering Centre of University of Coimbra (CEMUC), Department of Electrical and Computer Engineering, University
of Coimbra; Coimbra, Portugal
(*)
ABSTRACT
In this work different methods for ultrasonic attenuation evaluation in cast iron using a pulse-echo
immersion technique were studied. A method that avoids the reflection coefficient knowledge
between the sample and water was selected. Different micrographic images of cast iron samples
were analysed for the microstructure characterization and grain size determination. The
attenuation results showed a power law dependence on frequency smaller than the observed for
the stochastic regime.
INTRODUCTION
The effect of the metal microstructure on ultrasonic attenuation, namely the grain size, has been
extensively investigated. The two main attenuation mechanisms are absorption and scattering.
Despite the absorption be responsible for amplitude decreasing, grain scattering is predominant in
the attenuation of polycrystalline metals (Mason, 1947). Ultrasonic grain scattering theories
(admitting spherical grains with the same diameter filling all medium) have been summarized in
three classical regimes: Rayleigh, Stochastic and Geometrical, depending of the relation between
grain size and the wavelength (Papadakis, 1965). Later the unified theory took into account the
grain size distribution and shape and was proposed to be valid for all the ratios of grain size to
wavelength (Stanke, 1984). Although there are recent claims of experimental confirmation of the
grain scattering theories, some questions remain, especially in the some kind of microstructures
(Man, 2006; Liu, 2008). Despite the difficulties of obtaining in some cases accurate models of its
behaviour, ultrasonic attenuation measurements are widely used for non-destructive evaluation
and materials characterization, namely in the determination of grain size, tensile strength and yield
strength (Klinman, 1981).
From the echo signals expressions obtained using an immersion pulse-echo configuration, the
attenuation α, in Np/m, was derived after manipulation. The following three different equations
were obtained
𝛼1 =
𝛼2 =
𝛼3 =
1
2𝐿
1
2𝐿
1
2𝐿
ln (𝑅 2
ln (
ln (
𝐴1
𝐴2
)
(1)
𝐴𝑠 (1−𝑅2 )
𝐴1
𝐴𝑠 𝐴1
)
𝐴1 2 +𝐴𝑠 𝐴2
)
(2)
(3)
where L is the sample thickness, R the reflection coefficient between the sample and the water, A1
the first backwall reflection, A2 the second backwall reflection and As the sample surface signal.
211
The main advantage of equation (3) when compared with (1) and (2) is the absence of the
reflection coefficient that is frequency dependent and also influenced by the surface roughness.
The used experimental ultrasonic system consists of a pulser/receiver, a broadband 20 MHz
transducer, a precision positioning system and a digital oscilloscope. Six machined cast iron
samples with 13.1 mm thickness (± 0.015mm) were tested in a pulse-echo configuration for
attenuation determination purposes. For each sample, 10 signals were acquired in different
locations and for each signal 52 averages are preform for signal-to-noise ratio improvement.
The frequency dependent attenuation was obtained using equation (3), considering As, A1 and A2
as the frequency spectra of the time domain signals. The average result for all the tested samples
is presented in Fig. 1. Due to frequency down-shift the central frequency is around 11 MHz. The
standard deviation for the central frequency is 11.5%. A power law fitting curve was established
(α=a f m), giving rise to a=1.75 and m=1.31, where f in the frequency in MHz. A high correlation
(R2=0.976) was obtained. In Fig. 2 it is shown a micrograph of one sample used in the study.
Fig.1 Measured attenuation as function of frequency
Fig. 2 Micrograph of cast iron sample
For the working frequency, considering the propagation velocity in cast iron (5560 m/s), the
wavelength is around 550µm. According to Fig. 2 the mean grain size is about an order of
magnitude smaller, indicating disagreement of the attenuation behaviour with the classical theory.
ACKNOWLEDGMENTS
Operacional Factores de Competitividade – and by national funds through FCT – Fundação para a
Ciência e a Tecnologia, under the project PEst-C/EME/UI0285/2013.
212
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213
STV.5
NON-INVASIVE LENS HARDNESS CHARACTERIZATION BY ULTRASOUND TECHNIQUES
1
Miguel Caixinha1, Jaime Santos1, Mário Santos,
1
Department of Electrical and Computers Engineering, University of Coimbra, Polo II, Rua Silvio Lima, 3030-970 Coimbra, Portugal
ABSTRACT
Cataract affects more than 20 million people worldwide and it is the leading cause of vision loss.
Actually, the phacoemulsification is the gold standard procedure to extract cataract and recover
visual acuity. Optimal phacoemulsification energy levels is demanded for safety cataract removal.
It is well established that the energy value is determined by the cataract hardness. This works
shows that ultrasound methods can be used to noninvasively characterize and visualize the
cataract lens hardness.
INTRODUCTION
A cataract is a clouding or opacity of the normally transparent crystalline lens of the eye. It affects
more than 20 million people worldwide and it is the leading cause of vision loss. Generally,
cataracts are a natural result of aging, but some eye injuries, medications and diseases like
alcoholism and diabetes can also cause cataracts [1]. Actually, the phacoemulsification is the gold
standard procedure to extract cataract and recover visual acuity. The inadequate
phacoemulsification energy can disrupt the posterior lens capsule, and among other
complications, cause a significant loss of the corneal endothelial cells [2], [3]. Thus, an optimal
phacoemulsification energy is demanded for safety cataract removal. It is well established that the
energy value is determined by the cataract hardness.
Ultrasound parameters were assessed ex-vivo, in 202 porcine lens using a 25 MHz transducer.
Cataract was induced in 140 lenses immersed over time in an ethanol:2-propanol:formalin
solution. The velocity was computed by (1) the time of flight estimation (𝑉 = 2𝑑 ⁄Δ𝑡) and (2) using
a reference signal without previous lens thickness knowledge (𝑉 = 𝑐 �(𝑡𝑠 − 𝑡𝑐 ⁄𝑡𝑏 − 𝑡𝑎 ) + 1�),
where c is the ultrasound velocity in the solution, tc and ts are the propagation times for the path
between the transducer and a reflector with and without the lens inserted, respectively, and ta and
tb correspond to the propagation times of the waves from the transducer to the front and back
faces of the lens, respectively.
The attenuation was estimated based on: (1) the anterior and posterior capsule echoes, (𝛼(𝑓) =
(20⁄2𝑑 ) 𝑙𝑜𝑔10 �(𝐴1 (𝑓)⁄𝐴2 (𝑓)) (𝑅12 ⁄𝑅21 )(𝑇12 𝑇21 )�), A1(f) and A2(f) are the amplitude spectra from
the lens echoes, T12 and T21 are the transmission coefficients, and R12 and R21 are the reflection
coefficients;
(2)
a
reference
signal
from
a
reflector
(𝛼(𝑓) = (20⁄2𝑑 ) 𝑙𝑜𝑔10 �(𝐴1 (𝑓)⁄𝐴2 (𝑓)) (𝑇12 𝑇21 )2 � − 𝛼𝑆 ), where A1(f) and A2(f) are the amplitude
echoes received from the reflector in the solution without and with the lens inserted, and αs is the
attenuation in the used solution for the path corresponding to the lens thickness.
214
For each lens, the B-Scan images (brightness-modulated images) and the Nakagami parametric
images (2-D representation of the m parameter) were constructed.
The ultrasound velocity using the amplitude spectrum method ranged
from 1619±39 m/s in normal lenses to 1692±38 m/s in cataractous
lenses. When using the planar reflector method, the velocity ranged
from 1597±37m/s to 1670±32 m/s in normal and cataractous lenses,
respectively.
The frequency dependent attenuation values are 0.117±0.02
dB/mmMHz and 0.111±0.01 dB/mmMHz for lens without cataract and
0.212±0.03 dB/mmMHz and 0.18±0.02 dB/mmMHz for cataratous
lenses, respectively for the first and second methodologies.
The constructed B-Scan and Nakagami images show, over the cataract formation, an increase in
the brightness intensity and in the m parameter respectively, characterized by an increased region
with high scatterers concentration, from the cortex to the nucleus, which are responsible for lens
opacity.
B-Scan images (right) and Nakagami m images (left) for lenses: (a) without cataract; (b) 60
minutes; (c) 120 minutes; (d) and 180 minutes of immersion time.
This works shows that ultrasound methods can characterize the lens tissue and cataract
hardness, by ultrasound parameters evaluation.
ACKNOWLEDGMENTS
Operacional Factores de Competitividade – and by national funds through FCT – Fundação
para a Ciência e a Tecnologia –, under the project PEst-C/EME/UI0285/2013.
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215
STV.6
ADVANCED PHASED ARRAY TECHNOLOGIES
Dr.-Ing. Werner Roye
Karl Deutsch Pruef- und Messgeraetebau GmbH + Co KG, Wuppertal, Germany
ABSTRACT
Acoustical Imaging by means of Phased Array Techniques are applied for material inspection
purposes for many years. Now advanced techniques are available for stationary test systems and
also for portable instruments, enabling high test speeds, high contrast and high resolution.
STATIONARY SYSTEM
Stationary test systems are equipped with the powerful Phased Array system Multi2000.
According to the test task these systems can contain up to 1024 parallel channels, which enable
the application of multiple and large array probes. As an example a test system is presented in this
paper for the inspection of longitudinal tube welds.
TF
LF
DF
Test Reflectors
Typical test reflectors are notches and drilled holes:
Fig. 1: Test reflectors on longitudinal tube weld
LF: Longitudinal Flaws, TF: Transverse Flaws, DF: Delamination Flaws
Detection of longitudinal flaws
Longitudinal flaws are detected using squirter probes with water coupling performing sector scans.
The probes are coupled to the curved surface. The Multi2000 system provides correct data
processing for curved surfaces.
216
Fig. 2: Squirter probes for the detection of longitudinal flaws
The overall test result can be presented as a C-Scan:
Fig. 3: Typical C-Scan as top view on the weld
Detection of transverse flaws
A typical test reflector for transverse flaws is a through drilled hole (TDH). The upper and lower
corner is detected by means of the following arrangement.
Fig. 4: Test arrangement for transverse flaws
217
Fig. 5: Echo dynamic curve with indications of upper and lower TDH corners
Fig. 6: Mechanical B-Scan with indications of upper and lower TDH corners
Detection of delaminations
Delaminations in the heat affected zone and also lacks of fusion, if the pipe is cladded inside, are
detected by straight beam insonification. Using a plane linear array and according focal laws, the
sound enters perpendicularly to the curved surface, thus always providing an optimal reflection of
the flaws which are parallel to the surface.
Fig. 7: Detection of delaminations – Test arrangement and test result
218
Fig. 8: Test system with moving pipe
PORTABLE SYSTEM
For
on-site inspections the universal and
portable instrument GEKKO is available. It
supports the Phased Array Techniques by
means of traditional sector scans and
linear scans, TOFD (Time of Flight
Diffraction) as well as the conventional UTtechniques with mono-element probes.
New and unique are additional features like
for example the TFM method, which
enables an acoustical imaging with
extremely high resolution.
Fig. 9: Portable Phased Array System GEKKO
219
Traditional Sector Scans, Linear Scans, C-Scans and TOFD Scans
Fig. 10: Traditional sector scan (left) and 0° linear scan (right)
By mechanically scanning the linear Phased Array over the object many B-Scans based on sector
or linear scans are obtained. The overall result can be presented as C-Scan. Full data analysis is
possible by moving the cursors in the C-Scan. The three dimensional data then can be analysed
slice by slice in the B-Scans and pointwise in the A-Scans.
Electronic
l
Mechanic
l
Fig. 11: 3D Imaging
Sector and electronical linear scans provide a lateral resolution according to the focused sound
beam, which typically has a diameter of several wavelengths.
220
This example presents a scan which was obtained using longitudinal waves with straight beam
insonification. Angle beam insonification with shear wave yield according results.
Fig. 12: TOFD imaging
Left: TOFD Scanner with 2 probes and position encoder
Right: Typical TOFD Scan with indications of surface, backwall and flaws
New: Total Focusing Method (TFM)
In order to improve the image resolution the Total Focusing Method TFM was developed and is
now available in the GEKKO instrument. The ultrasonic data are captured and processed in such
a way that an optimal resolution of one wavelength can be obtained.
Fig. 13: TFM imaging (left: Principle, middle: PA probe on testblock, right: TFM B-Scan)
The lateral resolution is one wavelength. In the given example an array with 5 MHz was applied for
straight beam insonification with longitudinal waves in steel. This yields a wavelength of λ=1.2
mm. The side drilled holes in the vertical row have diameters of 1 mm.
221
Due to this extremely high resolution TFM provides a defect sizing capability which is much more
accurate compared to the standard echo amplitude methods DAC and DGS. In the following
example a row of side drilled holes with diameters of 1.5 mm is imaged by TFM. The size and also
the distance between the indications can be measured by means of cursors. Here the reflector
size is determined exactly as 1.5 mm:
Fig. 14: Sizing capability in a TFM B-Scan
New: Application of Phased Array Matrix Probes
The GEKKO instruments is designed for 64 parallel channels. This allows the application of matrix
probes with 8 x 8 = 64 piezoelectric elements.
Fig. 15: Phased Array Matrix Probe with 8 x 8 Elements
222
The advantage of phased array matrix probes is that the sound beam can be steered in two
directions:
Fig. 16: GEKKO menu for matrix arrays, right: sector scans for various skew angles
Fig. 17: Presentation of 6 sector scans at skew angles of -45°, - 27°, -9°, +9°, +27° and+ 45°
223
In Figure 17 the upper left sector scan presents an echo indication which is obtained at a skew
angle of -45°.
The matrix technique enables for example a weld inspection with a detectability of longitudinal and
oblique flaws at the same time. In the past an operator always swivelled his angle beam probe in
order to capture also the oblique flaws. This can now be performed electronically and highly
reproducible with the GEKKO.
CONCLUSION
This paper presents some new and advanced phased array technologies of the Multi2000 system
for stationary testing machines and the portable instrument GEKKO for manual semi-mechanized
testing.
224
POSTERS
MEDIÇÃO DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA SEM DANIFICAÇÃO DE AMOSTRAS
Maria Rosa Duque (1)
1
Departamento de Física, Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade de Évora, Évora, Portugal.
(*)
RESUMO
In this work, we present an apparatus used to measure the thermal conductivity of solid state
materials. The method used has the advantage of do not be necessary to make holes in the
samples to put temperature sensors. The time interval needed for measurement is small (only
60s) and a small computer can be coupled to the device in order to compute the thermal
conductivity value needed. If necessary, the device can be used in field work.
INTRODUCÃO
Os aparelhos utilizados para a medição da condutividade térmica em amostras de materiais no
estado sólido (rochas, solos, mas também materiais utilizados em construção) são, geralmente,
feitas em laboratório, utilizando amostras convenientemente preparadas, sendo, muitas vezes,
necessário perfurar as amostras para introduzir os sensores de temperatura, ou mesmo pulverizar
a amostra. Apesar de já existirem vários tipos de aparelho que podem ser adquiridos por compra
direta, o seu custo é muito elevado e, em geral, são concebidos para escalas não adaptadas às
medições que pretendemos efetuar.
O aparelho que apresentamos, baseia-se num método transiente, relativamente utilizado no
mercado. As vantagens que apresentamos, residem no facto de o aparelho ter sido montado por
nós, utilizar sensores de temperatura construídos e calibrados no Laboratório de Física da
Universidade de Évora, não sendo necessário perfurar as amostras utilizadas que, depois da
medição, poderão ser utilizadas no projeto a que foram retiradas. O intervalo de tempo necessário
para fazer a medição é relativamente curto (cerca de 60 s para intervalo de aquecimento e mais
alguns segundos para o cálculo final, quando o sistema estiver completamente em automático).
Acoplado ao sistema existe uma placa de aquisição e tratamento do sinal emitido pelos sensores
de temperatura. Este facto vai permitir-nos ter acesso imediato a temperaturas da amostra e
valores da condutividade térmica.
O SISTEMA UTILIZADO
O sistema que apresentamos é constituído essencialmente por três partes distintas: A parte de
aquecimento, formada por uma resistência elétrica, que deverá ser colocada na parte central da
amostra. Pela resistência irá circular uma corrente elétrica e, por efeito Joule, iremos ter
libertação de energia térmica e aumento de temperatura. A segunda parte é a responsável pela
medição de temperatura. Os sensores utilizados são termopares, que estão colocados em pontos
fixos, e que nos podem medir a temperatura em qualquer instante, durante todo o
processamento. A terceira parte é constituída pelo sistema de recolha e processamento do sinal
recebido e cálculo do valor da condutividade térmica.
227
As amostras utilizadas deverão ter forçosamente uma face perfeitamente lisa (onde é feita a
medição) e as suas dimensões mínimas não deverão ser inferiores 10 cm de comprimento e 5 cm
de largura. Poderão, no entanto, ser feitos ajustes ao sistema, de modo a poderem ser utilizadas
amostras de menores dimensões. Devemos, no entanto, chamar a atenção para o facto de as
rochas não serem homogéneas, havendo, muitas vezes, necessidade de fazer várias medições,
em pontos diferentes da amostra, Neste caso justifica-se a utilização de amostras de maiores
dimensões ou, na sua falta, a utilização de várias amostras.
MEDIÇÕES EFECTUADAS
As amostras utilizadas no laboratório, durante o desenvolvimento do sistema que se apresenta,
são amostras de granito de diferentes dimensões. Os termopares utilizados como sensores de
temperatura, são feitos de cobre e constantan, e o intervalo de tempo utilizado para aquecimento
da amostra pode ir até 70s.A tensão utilizada no aquecimento e o intervalo de tempo da medição
dependem do valor da condutividade térmica que se pretende medir. As variações de temperatura
utilizadas variam entre 3,5 e 5,0 ºC. A amostra em estudo e todo o material utilizado (exceto a
resistência de aquecimento) podem estar à temperatura do laboratório. Em amostras
heterogéneas, o dispositivo permite obter o valor da condutividade térmica em pontos distintos da
amostra. Também é possível, com o dispositivo descrito, fazer medições de condutividade em
direções perpendiculares.
CONCLUSÕES
O dispositivo utilizado permite realizar medições de condutividade térmica em intervalos de tempo
relativamente curtos. É possível, com o dispositivo apresentado, fazer medições em simultâneo,
em pontos diferentes da amostra. As amostras utilizadas durante o estudo e montagem do
dispositivo são amostras de granito, sendo a calibração feita com amostras de alguns metais.
AGRADECIMENTOS
A autora agradece aos técnicos que colaboraram na realização deste trabalho, de um modo
especial aos senhores Sérgio Aranha e Samuel Bárias. Sem a sua ajuda preciosa, não teria sido
possível desenvolver o trabalho referido.
REFERENCIAS
Wechsler, Alfred E. The probe method for measurement of thermal conductivity. In: Arthur D.
Little, Inc. Cambridge, Massachusetts 02140, 1992, 6,p. 161-185.
228
CONSIDERAÇÃO
DE
ENSAIOS
NÃO
INFRAESTRUTURAS DE TRANSPORTE
DESTRUTIVOS
EM
PAVIMENTOS
DE
José Neves1(*)
1
Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Lisboa, Portugal
(*)
RESUMO
No presente artigo é feita a descrição dos principais ensaios não destrutivos (END) com vista à
auscultação estrutural e funcional de pavimentos de infraestruturas de transporte, com maior
enfoque no defletómetro de impacto (FWD). É apresentada também uma comparação bilateral
realizada com o defletómetro de impacto portátil (DIP). O artigo apresenta as principais
conclusões deste estudo experimental, bem como algumas recomendações para futuros ensaios
de comparação interlaboratorial a realizar com o FWD.
INTRODUÇÃO
Os pavimentos das infraestruturas de transporte, nomeadamente de estradas e aeroportos, são
estruturas da engenharia civil constituídas por várias camadas de materiais de diferentes
natureza e processo de fabrico. A importância destas estruturas está principalmente na sua
função estrutural, ao garantirem a adequada transmissão das cargas do tráfego à respetiva
fundação, para além da função de assegurarem também as adequadas condições de conforto e
segurança à circulação desse mesmo tráfego através das características de superfície, como por
exemplo o atrito.
O conhecimento das características físicas e mecânicas dos materiais e das camadas do
pavimento é fundamental no âmbito da construção (garantia da qualidade final após a execução)
e depois ao longo do ciclo de vida destas infraestruturas (apoiando a gestão da rede e as ações
de conservação e reabilitação).
Desde longa data que os ensaios de carga têm sido utilizados como ensaios não destrutivos
(END) na avaliação da capacidade de carga dos pavimentos existentes. Nos anos mais recentes,
a evolução deste tipo de ensaios tem estado sobretudo focalizada nos ensaios de defletómetro de
impacto (Falling Weight Deflectometer) (FWD). Em complemento, interessa também conhecer a
real estrutura física das camadas do pavimento e da fundação onde o radar de prospeção
(Ground Penetrating Radar) (GPR) é um equipamento que tem demonstrado grandes
potencialidades pois, ao permitir um conhecimento em contínuo da estrutura do pavimento, a
necessidade de extração de material em sondagens (carotes e poços), processo correntemente
utilizado, é substancialmente menor.
Para além de END destinados à caracterização da estrutura dos pavimentos e da sua fundação
(avaliação estrutural), outros ensaios são também utilizados no âmbito da caracterização das
características de superfície, como por exemplo o atrito e a textura (avaliação funcional).
Como exemplo da importância da realização de END em pavimentos, salienta-se o caso da
utilização do FWD na caracterização estrutural dos pavimentos de infraestruturas aeroportuárias,
229
nomeadamente na avaliação obrigatória do PCN (Pavement Classification Number) das pistas,
parâmetro fundamental na autorização concedida à sua utilização pelas aeronaves por parte da
ICAO (International Civil Aviation Organization) e que é publicado na AIP (Aeronautical
Information Publication) (FAA, 2011a).
O artigo tem dois objetivos principais:
1)
2)
Apresentar genericamente os principais equipamentos de END em pavimentos e, em
particular, os equipamentos relacionados com a auscultação estrutural, ou seja, os
equipamentos de medição da deflexão.
Descrever o FWD com maior detalhe e, em particular, o defletómetro de impacto portátil
(DIP) naquilo que tem sido a experiência da sua utilização em estradas e aeroportos
pelo Departamento de Engenharia Civil, Arquitetura e Georrecursos do Instituto
Superior Técnico (IST). Em 2010, o IST e o ex-Grupo de Engenharia e Aeródromos da
Força Aérea Portuguesa (GEAFA) promoveram uma comparação bilateral com dois
modelos de equipamentos: o modelo 3031 LWD da Dynatest; o modelo Prima 100
LFWD da Grontmij-Carl Bro. No artigo são apresentados os principais resultados deste
estudo, descrevendo-se nomeadamente a análise da correlação das deflexões, do
número de quedas da massa e da repetibilidade e reprodutibilidade da deflexão e da
força de impacto (Lopes, 2010; Neves et al., 2012).
Com base em todas as considerações apresentadas ao longo do artigo no âmbito destes
objetivos, são dadas no final recomendações com vista a uma melhor decisão na escolha e
utilização de equipamentos de END em pavimentos. Também se apresenta recomendações
destinadas à preparação de ensaios de comparação interlaboratorial no âmbito dos ensaios de
carga com o defletómetro de impacto, que está em curso pelo Grupo de Trabalho dos Ensaios de
Campo (GT5) da Comissão Técnica RELACRE dos Materiais de Construção (CTR09) (Relacre@,
2014) e que se espera concretizar em 2015.
ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS EM PAVIMENTOS
Equipamentos de ensaios não destrutivos
A Fig. 1 apresenta as principais categorias de equipamentos destinados à realização de END em
pavimentos de infraestruturas de transporte, que podem ser estabelecidas tendo em conta
algumas orientações de classificação dos equipamentos apresentadas na bibliografia (Antunes,
1993; FAA, 2011b).
Segundo a Federal Aviation Administration (FAA) (2011b), não só nas infraestruturas
aeroportuárias mas também nas infraestruturas de transporte em geral, os END em pavimentos
podem ser realizados com equipamentos agrupados em duas categorias principais:
equipamentos com medição da deflexão (deflection testing equipment) e equipamentos sem
medição da deflexão (nondeflection testing equipment). Por deflexão entende-se o assentamento
vertical gerado num ponto da superfície do pavimento pela aplicação de uma determinada carga.
De acordo com Antunes (1993), os END com medição da deflexão podem ser realizados com
equipamentos de carga rolante ou de carga pontual. Nos ensaios de carga rolante, a carga
aplicada ao pavimento é móvel pois é devida à passagem do eixo de um veículo de ensaio
230
normalizado. Nos ensaios de carga pontual, o equipamento aplica a carga num ponto da
superfície do pavimento, ou seja, a carga é estacionária (pontual). Nesta categoria de ensaios a
carga pode ainda ser considerada estática ou dinâmica. Quando a carga é dinâmica, a solicitação
aplicada ao pavimento pelo equipamento pode ter a forma de impulso gerado por impacto (caso
do defletómetro de impacto) ou a forma sinusoidal gerada por vibração (caso de equipamentos
vibradores). A Fig. 2 ilustra a forma da solicitação no pavimento nos casos em que a carga
dinâmica é aplicada por impacto (Fig. 2a) e por vibração (Fig. 2b).
Fig.1 Categorias de equipamentos
a) Impacto
b) Vibração
Fig.2 Solicitação no pavimento nos ensaios de carga dinâmica (adaptado de FAA, 2011b)
Os END baseados em equipamentos de carga rolante são ensaios de carga com pneu que
consistem basicamente em medir, à passagem do rodado do veículo de ensaio, a deflexão
através de sistema adequado. Nos equipamentos em que houver a capacidade de medição em
simultâneo da distância e do deslocamento, será possível obter a verdadeira e completa linha de
influência da deflexão segundo o alinhamento de passagem do veículo de ensaio. O facto deste
ensaio aplicar uma carga semelhante à do tráfego constitui a sua maior vantagem. Não obstante,
a velocidade de passagem do rodado é reduzida comparativamente com a real velocidade do
tráfego. Acresce ainda que o rendimento destes equipamentos é em geral baixo pois o ensaio é
moroso e trabalhoso, interferindo bastante com a normal circulação do tráfego.
O exemplo clássico deste tipo de equipamentos é a viga concebida por Benkleman – viga
Benkelman – destinada à caracterização dos pavimentos no âmbito do ensaio AASHO (HRB,
231
1953). Posteriormente, outras evoluções foram sendo patenteadas como é o caso do Defletógrafo
Lacroix (Vectra-esteio@, 2014) e do Curviâmetro (Vectragermany@, 2014) que foram
equipamentos desenvolvidos em França e que permitem a medição da deflexão na zona de
passagem dos rodados do veículo de ensaio com maior rendimento. Como exemplo, refere-se o
caso do Curviâmetro que, à velocidade de 18 km/h, procede em simultâneo e em contínuo à
medição da deflexão através de três sensores posicionados numa corrente com 15 m, que se
move entre o rodado duplo do eixo traseiro onde é aplicada uma carga que pode variar de 80 a
130 kN. Por ter sido desenvolvido no Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), refere-se
ainda o defletógrafo LNEC que se trata de um veículo equipado com viga Benkelman e com
transdutor de distâncias associado ao rodado, permitindo traçar graficamente a linha de influência
da deflexão (Antunes, 1993; Fontul, 2004).
O ensaio clássico de carga pontual é o ensaio de carga com placa adaptado desde longa data à
caracterização dos pavimentos (Gomes-Correia et al., 1997). Para além de ser pontual, o ensaio
consiste ainda na aplicação de uma carga estática (FAA, 2011b) o que constitui uma das suas
principais limitações, pois a solicitação aplicada no pavimento não representa as reais condições
de circulação do tráfego. Para além disso, trata-se de um ensaio extremamente moroso e
trabalhoso na sua operação. Desta forma, a evolução do ensaio de carga pontual deu-se de
forma a ter um maior rendimento de operação, possibilitando realizar um maior número de
ensaios no pavimento, e ao mesmo tempo aplicar uma carga dinâmica que induza no pavimento
uma solicitação mais próxima das condições de passagem do tráfego.
Nos ensaios de carga pontual, o equipamento mais utilizado atualmente é o FWD que se baseia
na aplicação de uma força de impacto no pavimento (Fig. 2a), gerada pela queda de uma massa
sobre placa circular, e na medição das deflexões a várias distâncias da placa.
Nos equipamentos de vibração, a carga aplicada ao pavimento é constituída por uma força
sinusoidal que se sobrepõe à carga estática devida ao peso próprio do equipamento (Fig. 2b).
Como exemplos deste tipo de equipamentos, tem-se o Road Rater e o Dynaflect, para
pavimentos rodoviários, e o vibrador WES (U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experiment
Station), para pavimentos aeroportuários. São os equipamentos mais ligeiros (Road Rater e
Dynaflect) que apresentam a principal desvantagem dos equipamentos vibradores, pelos valores
baixos das amplitudes das cargas que conseguem aplicar nos pavimentos, comparativamente à
ordem de grandeza das cargas aplicadas pelos rodados dos veículos pesados. No caso do
vibrador WES, é possível aplicar cargas de ordem de grandeza superior, tendo em conta que o
equipamento foi concebido especialmente para aeroportos.
No âmbito dos END que não passam pela medição da deflexão, podem ser referidos os
equipamentos de auscultação da estrutura do pavimento, como é o caso do radar de prospeção
(GPR), e outros equipamentos destinados à avaliação das características de superfície do
pavimento, como por exemplo o atrito, a textura e a irregularidade (FAA, 2011b).
Ensaios com o defletómetro de impacto
No âmbito da avaliação estrutural dos pavimentos, o FWD é o equipamento de medição da
deflexão que tem assumido a maior relevância na atualidade.
232
A Fig. 3 mostra esquematicamente o princípio de funcionamento geral do FWD: o sistema de
aplicação da carga (força de impacto gerada pela queda de uma massa de determinada altura
sobre a placa, com diâmetro pré-definido e equipada com sistema de amortecedores) (Fig. 3a) e
o sistema de medição das deflexões (sensores posicionados numa viga e apoiados na superfície
do pavimento) (Fig. 3b). A massa, a altura de queda e o número de amortecedores podem ser
ajustados para cada ensaio. As deflexões são medidas por sensores (geofones, acelerómetros ou
de outro tipo) instalados no local onde é aplicada a carga de impacto e em pontos distribuídos por
uma viga, em que o número de sensores e a sua localização são variáveis de acordo com os
objectivos definidos para o ensaio e as características do pavimento a ser auscultado.
A norma ASTM D4694-96 (2003) especifica as características do equipamento e o procedimento
a seguir nos ensaios em geral. Alguns outros procedimentos especiais podem ser adotados,
como é o caso da utilização do FWD para analisar a transferência de cargas em juntas de
pavimentos de lajes de betão (pavimentos rígidos).
a) Aplicação da carga
b) Medição das deflexões
Fig.3 Funcionamento do FWD (adaptado de FAA, 2011b)
Na versão mais corrente, o FWD consiste num equipamento atrelado a veículo rebocador, sendo
possível ao operador comandar deste veículo toda a operação do ensaio (posicionamento no
ponto de ensaio e aquisição de dados no computador) (Fig. 4). Existem ainda versões compactas
de alguns fabricantes que integram o FWD num único veículo.
A análise da relação entre a aplicação de carga e a respetiva deformação do pavimento permite,
por processo de retro-análise (backanalysis), avaliar as características mecânicas de
deformabilidade das camadas constituintes do pavimento e da sua fundação. A deformação no
pavimento é conhecida através da medição da deflexão pelos sensores colocados em vários
pontos da superfície do pavimento. O conhecimento completo desta deformação, designada por
bacia de deflexão, é muito importante para o processo de retro-análise (Fig. 5). A forma da bacia
de deflexão está intimamente associada à deformabilidade das camadas do pavimento e da
fundação (Antunes, 1993; Branco et al., 2006; FAA, 2011b; Fontul, 2004). De notar que a bacia
de deflexão gerada pelo FWD não é uma verdadeira linha de influência da deflexão, pois a carga
não está em movimento durante o ensaio.
O processo de retro-análise pode ser desenvolvido com base na análise estrutural do pavimento
nas condições de ensaio, aproximando as deflexões calculadas às deflexões medidas segundo
critérios de convergência, ou recorrendo a programas de cálculo automático específicos, como
233
por exemplo o ELMOD (Dynatest@, 2014) e o MODULUS (Txdot@, 2014). As principais
características do FWD com maior importância na retro-análise são:
•
•
O valor da força de impacto que é possível aplicar, intimamente associado aos valores
da massa móvel e da sua altura de queda, bem como da dimensão da placa.
O número de sensores para medição das deflexões, relacionado com a melhor
definição da forma da bacia de deflexão.
a) FWD
b) HWD
Fig.4 Defletómetros de impacto (Dynatest@, 2014)
Fig.5 Bacia de deflexão (adaptado de FAA, 2011b)
Conforme já foi referido, alguns equipamentos sem medição da deflexão como é o caso do GPR,
ao permitirem conhecer a constituição do pavimento em profundidade e em contínuo, podem dar
um contributo muito importante ao processo de retro-análise, em alternativa a campanhas
extensas e demoradas de sondagens.
Em qualquer caso, a utilização do FWD deve mobilizar sempre a resposta do pavimento que é
expectável e que interessa conhecer para o objetivo em causa. Para além do FWD mais
vocacionado para a auscultação de estradas, onde o valor mais corrente da carga aplicada no
pavimento é 65 kN (Fig. 4a), a maioria dos fabricantes apresenta versões do defletómetro de
impacto pesado (Heavy Falling Weight Deflectometer) (HWD) ou super-pesado (Super Heavy
234
Falling Weight Deflectometer) (SHWD), que permitem aplicar cargas muito superiores e mais
adequadas à auscultação de pavimentos de aeroportos (Fig. 4b).
Outra versão do FWD é um equipamento portátil e designado por Light Weight Deflectometer
(LFWD) ou Portable Falling Weight Deflectometer (PFWD). Em Portugal, entre outras
designações, este equipamento tem sido referido por Defletómetro de Impacto Ligeiro (DIL),
sendo esta a designação adotada ao longo deste artigo.
O DIL é caracterizado essencialmente por aplicar uma força de impacto mais reduzida (inferior a
20 kN) e por dispor de número limitado de sensores (a situação limite é ter apenas um sensor
posicionado no centro da placa). As maiores vantagens deste equipamento são as que estão
associadas à sua simplicidade e facilidade de transporte, montagem e utilização mesmo em
locais de difícil acesso, onde o equipamento convencional está impossibilitado de operar. Embora
o DIL se caracterize por uma grande simplicidade, quer de conceção quer de utilização, algumas
das suas características de funcionamento podem ter influência no seu desempenho e,
consequentemente, nos resultados do ensaio e na respetiva interpretação (retro-análise).
Nos anos mais recentes tem-se assistido ao desenvolvimento do FWD para versões
tecnologicamente mais evoluídas que permitam realizar os ensaios de forma contínua e à
velocidade de circulação do tráfego: o defletómetro de impacto de alta velocidade. Embora ainda
na forma de protótipos em fase de validação, são exemplos deste equipamento o Rolling Wheel
Deflectometer (RWD), em desenvolvimento nos Estados Unidos, o Road Deflection Tester (RDT),
em desenvolvimento na Suécia, e o High Speed Deflectograph (HSD), em desenvolvimento na
Dinamarca. Em geral, estes equipamentos utilizam sensores laser e, embora utilizando princípios
diferentes, são concebidos para avaliar as deflexões à passagem em contínuo dos veículos de
ensaio (Fontul, 2004).
ESTUDO DO DEFLETÓMETRO DE IMPACTO PORTÁTIL
O Instituto Superior Técnico e o ex-Grupo de Engenharia e Aeródromos da Força Aérea
Portuguesa promoveram uma comparação bilateral para estudo do DIP, tendo sido utilizados dois
equipamentos: o modelo 3031 LWD da Dynatest, pertencente ao Laboratório de Vias de
Comunicação e Transportes do IST (Fig. 6a); o modelo Prima 100 LFWD da Grontmij-Carl Bro,
propriedade do Laboratório de Solos e Pavimentos do ex-GEAFA (Fig. 6b).
A Fig. 7 apresenta os principais componentes do modelo 3031 LWD da Dynatest. Com base nas
especificações técnicas dos fabricantes, as características mais importantes dos dois
equipamentos são apresentadas resumidamente no Quadro 1 (massa, força de impacto, célula de
carga e sensor). No essencial, ambos os modelos de equipamento são muito semelhantes nas
suas características e no modo de funcionamento: é possível utilizar placas de carga de
diâmetros diferentes, variar a massa móvel e a respetiva altura de queda e utilizar até dois
sensores adicionais colocados a distâncias variáveis, para além do sensor fixo localizado no
centro da placa.
235
(a) Modelo Dynatest 3031 LWD
(b) Modelo Prima 100 LFWD
Fig.6 Equipamentos utilizados no estudo (Neves et al., 2012)
Legenda:
1 – Placa de carga
2 – Célula de carga
3 – Sistema de amortecimento
4 – Massa móvel
5 – Haste metálica
6 – Unidade principal (armazenamento e
transmissão) e geofone central
7 – Geofones adicionais e respetiva viga
metálica de apoio
Fig.7 Principais componentes do modelo Dynatest 3031 LWD (Neves et al., 2012)
236
Quadro 1 Principais características técnicas dos equipamentos (Neves et al., 2012)
Modelo
Dynatest
Prima 100
3031 LWD
LFWD
Massa (kg)
10
10
Massa
Massas adicionais (kg)
5 e 10
5 - 10
Altura de queda (cm)
85
85
100 – 150 –
100 – 200 Diâmetro da placa (mm)
Força de
300
300
Impacto
Gama da força de impacto (kN)
1 a 15
1 a 15
Duração do impulso (ms)
15 a 30
15 a 30
Exatidão
2% ± 2 kPa
1% ± 1 kPa
Célula de
Resolução (kN)
0,0003
0,1
Carga
Alcance (kN)
0-25
*
Tipo
Geofone
Geofone
Número
1a3
1a3
Sensor
Exatidão
2% ± 2 µm
±2%
Resolução (µm)
0,1
1
Alcance (µm)
2200
2200
*Característica omissa nas especificações técnicas.
Características
Sabendo que as características dos equipamentos podem ter influência importante no seu
funcionamento e, consequentemente, também nos resultados dos ensaios, neste estudo deu-se
particular atenção às seguintes características:
•
•
Sistema de amortecimento (buffers). O tipo de amortecedores, sobretudo do ponto de
vista da sua rigidez, tem influência nas características do impacto da massa na placa
de carga. Segundo Thom e Fleming (2002), a utilização de amortecedores de maior
rigidez reduz o tempo de pico da carga devida ao impacto da queda da massa móvel, o
que faz aumentar a força de impacto. Para o mesmo equipamento, a temperatura é
outro fator que pode ser importante na rigidez do sistema de amortecimento. Fleming et
al. (2009) constataram que a rigidez dos amortecedores tende a diminuir com o
aumento da temperatura.
Tempo de retorno (pulse). Segundo a Dynatest (2006), o tempo de retorno deve estar
compreendido entre 15 e 25 ms. Contudo, a norma ASTM E2583 (2007) refere valores
superiores: entre 20 e 40 ms. Thom e Fleming (2002) estudaram o efeito do tempo de
retorno nos resultados dos ensaios e concluíram que há uma tendência para, na
utilização de tempos de retorno menores, se obter módulos de deformabilidade
maiores. Embora o tempo de retorno possa ser programado no software do
equipamento durante o ensaio, contudo, aqueles autores constataram que este
parâmetro foi muito influenciado pela rigidez do sistema de amortecimento.
O modelo Dynatest 3031 LWD é constituído por sistema de amortecimento amovível (Fig. 8a),
com quatro componentes diferentes que se podem conjugar consoante o valor da massa
237
pretendido para o ensaio. No caso do modelo Prima 100 LFWD, o sistema é fixo (Fig. 8b),
podendo apenas alternar entre dois tipos correspondentes a uma maior ou menor rigidez.
Os ensaios foram realizados em dois locais: a 1ª campanha de ensaios foi realizada na mancha
de empréstimo do Campo de Tiro de Alcochete (27 de março de 2010), onde a Força Aérea
Portuguesa procede há extração de solos para as suas obras; a 2ª campanha de ensaios foi
realizada na pista de atletismo da Base Aérea de Alverca, onde o pavimento é constituído por
camada superior de saibro proveniente da mancha de empréstimo, compactada sobre o terreno
local (21 de maio de 2010). Na 1ª campanha foram selecionados seis pontos de ensaio onde, em
cada um, foram realizadas 21 a 26 repetições da queda da massa móvel com ambos os
equipamentos. Na 2ª campanha foram selecionados oito pontos de ensaio, onde se efetuaram 11
a 21 repetições da queda da massa. Em cada ponto de ensaio, por opção, foi utilizado em
primeiro lugar o defletómetro modelo 3031 LWD da Dynatest, seguindo-se a utilização do modelo
Prima 100 LFWD da Grontmij-Carl Bro.
O funcionamento dos equipamentos e as condições de realização dos ensaios foram sempre
semelhantes. Os ensaios foram realizados segundo a norma ASTM E2583 (2007). Os resultados
obtidos em cada ensaio foram a força de impacto na placa, medida na célula de carga, e as
deflexões medidas pelo sensor localizado no centro da placa.
Lopes (2010) faz a descrição pormenorizada das características de cada um dos equipamentos
utilizados no estudo, bem como apresenta de forma mais detalhada o procedimento utilizado nos
ensaios e as características dos locais onde foram realizados os ensaios correspondentes às
duas campanhas (materiais e geometria).
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados obtidos na comparação bilateral foram analisados de forma a comparar o
desempenho dos dois modelos de equipamento no que diz respeito a: 1) influência do número de
quedas da massa no valor medido da deflexão em cada ensaio; 2) correlação das deflexões; 3)
condições de repetibilidade e reprodutibilidade da medição das deflexões e da força de impacto,
expressas através do coeficiente de variação.
(b) Modelo Prima 100 LFWD
(a) Modelo Dynatest 3031 LWD
Fig.8 Sistemas de amortecimento (Neves et al., 2012)
238
Em cada ensaio, correspondente a uma única queda da massa, foi medida a força de impacto e a
correspondente deflexão no sensor central da placa de ensaio. Previamente à análise dos
resultados, procedeu-se à eliminação dos valores aberrantes provenientes de erros de medição
ou de execução dos ensaios com base nos seguintes critérios:
•
•
eliminação dos valores resultantes da primeira queda em todos os pontos de ensaio, tal
como indicado nos manuais de instrução dos equipamentos (Dynatest, 2006; Carl Bro,
2000);
eliminação dos valores correspondentes a quedas da massa, em que a variação da força
de impacto foi superior a ± 3% da força da queda anterior (ASTM E2583, 2007).
Procedeu-se previamente à normalização das deflexões para a força de 9,9 kN, estabelecida para
o valor médio de todos os valores da força de impacto medidos nas campanhas de ensaio.
Um dos aspetos diretamente relacionado com o procedimento de ensaio que se pretendeu
esclarecer neste estudo, refere-se ao número mínimo de quedas da massa que é necessário
garantir em cada ensaio para que haja estabilização dos valores medidos da deflexão. Esta é
uma preocupação presente em todos os ensaios porque, pelo facto de se tratar de equipamento
ligeiro, os seus resultados podem ser mais vulneráveis às condições de funcionamento,
nomeadamente no que diz respeito à estabilidade do equipamento na queda da massa móvel. A
norma ASTM E2583 (2007) é omissa sobre este aspeto e os manuais de instruções dos
equipamentos referem apenas que em cada ponto de ensaio seja efetuado o número de quedas
da massa necessário para que os resultados da deflexão medidos pelo sensor sejam estáveis,
não definindo, portanto, qualquer tipo de critério (Dynatest, 2006; Carl Bro, 2000). Desta forma,
pretendeu-se analisar os resultados obtidos no estudo experimental com vista a esclarecer
melhor esta influência.
Como exemplo do comportamento da deflexão em função do número de aplicações de carga, a
Fig. 9 apresenta a evolução da deflexão normalizada nos oito pontos de ensaio da 2ª campanha,
correspondendo sempre a condições de repetibilidade idênticas.
900
Ponto 1
875
Ponto 1
850
Ponto 2
825
Ponto 2
800
Ponto 3
Ponto 3
775
Ponto 4
Deflexão (µm)
750
Ponto 4
725
Ponto 5
700
Ponto 5
675
Ponto 6
650
Ponto 6
Ponto 7
625
Ponto 7
600
Ponto 8
575
Ponto 8
550
Modelo Prima 100 LFWD
525
500
Modelo Dynatest 3031 LWD
0
5
10
15
20
25
30
Número de repetições da queda da massa
Fig.9 Repetibilidade das deflexões (Neves et al., 2012)
239
A Fig. 9 mostra que, em geral, houve uma tendência de estabilização da deflexão em todos os
pontos de ensaio mas em sentidos diferentes: o modelo Dynatest 3031 LWD tendeu a estabilizar
por valores decrescentes; o modelo Prima 100 LFWD apresentou uma estabilização por valores
crescentes. Lopes (2010) constatou que este comportamento foi evidenciado em ambas as
campanhas de ensaio e que existiu uma variação da deflexão que, em geral, esteve
compreendida entre 5% e 10%. Esta conclusão pode constituir um critério de orientação a
considerar no número de repetições a estabelecer em cada ensaio.
Analisando os resultados de todos os pontos de ensaio obtidos em ambas as campanhas
experimentais, a Fig. 10 mostra a boa correlação que foi possível estabelecer para os valores
normalizados das deflexões medidas pelos dois equipamentos. Nas condições estudadas, para
os equipamentos utilizados e para a metodologia seguida na comparação de resultados, verificouse que, se for estabelecida uma regressão linear, as deflexões obtidas com o modelo Dynatest
3031 LWD foram superiores em 44 µm (R2=0,98).
Em relação à análise das condições de repetibilidade e reprodutibilidade, no Quadro 2 são
apresentados os valores do coeficiente de variação associados à deflexão e à força de impacto
em cada ponto de ensaio. Para cada um destes parâmetros, calculou-se o coeficiente de variação
da repetibilidade (CVr) e o coeficiente de variação da reprodutibilidade (CVR) conforme a
metodologia descrita nas Partes 2 e 3 da norma ISO 5725 (1994a e 1994b).
Deflexão (µm) - modelo Dynatest 3031 LWD
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000
Deflexão (µm) - modelo Prima 100 LFWD
Fig.10 Correlação das deflexões normalizadas (Neves et al., 2012)
240
Quadro 2 Repetibilidade e reprodutibilidade dos resultados (Neves et al., 2012)
Ponto de ensaio
1ª campanha
2ª campanha
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
CVr (%)
Deflexão
Força
7,8
3,4
2,7
1,8
2,4
4,5
3,3
2,1
1,3
1,2
1,2
1,0
1,1
0,8
0,7
0,9
1,7
0,7
0,6
0,7
1,7
1,1
CVR (%)
Deflexão
Força
23,9
4,2
7,0
3,1
9,0
4,4
10,2
2,1
4,3
1,3
2,7
1,1
6,4
1,0
3,8
0,9
11,1
1,1
5,9
1,2
1,7
1,6
Atentando para os valores máximos dos coeficientes de variação, constatou-se que para a
deflexão foi obtido 8% para a repetibilidade e 24% para a reprodutibilidade. Em relação à força de
impacto, foi obtido 4%, quer para a repetibilidade quer para a reprodutibilidade. Constata-se,
como expectável, que foi para a reprodutibilidade da deflexão que se obteve a maior variação,
embora se tenha verificado um melhor desempenho geral na 2ª campanha de ensaios. Estes
valores podem ser úteis na estimativa da incerteza de medição dos valores medidos.
CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
Este artigo teve como objetivo geral mostrar que, quer ao nível de projeto (construção ou
reabilitação) quer ao nível da gestão, os END são uma categoria de ensaios importante no âmbito
da auscultação estrutural e funcional de pavimentos rodoviários e aeroportuários.
Em particular, neste artigo foi apresentado o FWD que é o equipamento de medição da deflexão
mais utilizado atualmente na auscultação estrutural de pavimentos, sendo o que mais
desenvolvimentos registou nos últimos anos e que revela ter maiores perspectivas de evolução
no futuro.
Para o caso do DIL, versão portátil do FWD, foi apresentada uma comparação bilateral que teve o
objetivo de aprofundar o conhecimento sobre o funcionamento e a análise de resultados deste
tipo de defletómetro. Este estudo experimental consistiu na realização de ensaios com dois
modelos de equipamentos: modelo 3031 LWD da Dynatest e o modelo Prima 100 da GrontmijCarl Bro. O artigo descreve os equipamentos utilizados e os ensaios realizados neste estudo. Os
resultados obtidos permitiram estabelecer uma análise comparativa dos equipamentos
relativamente à:
a)
b)
c)
Influência do número de quedas de massa em cada ensaio.
Correlação das deflexões medidas.
Condições de repetibilidade e reprodutibilidade da deflexão e da força de impacto.
241
Dos resultados obtidos neste estudo, salientam-se as seguintes conclusões principais:
•
•
•
Da análise do número de quedas da massa até atingir a estabilização das deflexões
não foi possível estabelecer um critério limite geral, pelo que se recomenda que este
número seja avaliado caso a caso tal como é recomendado pelos manuais de
instruções dos equipamentos.
A análise comparativa dos resultados obtidos para a deflexão normalizada permitiu
concluir que existiu uma boa relação entre os equipamentos, embora com valores
medidos diferentes. Contudo, considera-se que essa diferença foi reduzida e pode estar
associada a fatores intrínsecos aos próprios equipamentos ou ter sido devida às
próprias condições dos locais de ensaio deste estudo.
Da análise das condições de repetibilidade e reprodutibilidade, concluiu-se que os
coeficientes de variação máximos da repetibilidade e da reprodutibilidade foram de 8%
e 24%, respetivamente para a deflexão. Em relação à força de impacto, obteve-se quer
para a repetibilidade quer para a reprodutibilidade, o valor máximo do coeficiente de
variação de 4%.
Naturalmente, as conclusões deste estudo resultam de uma primeira abordagem e carecem de
ser validadas com maior número de ensaios a realizar em condições diferentes e, até mesmo,
com outros equipamentos e em maior número.
O melhor conhecimento acerca do funcionamento de qualquer equipamento de END irá potenciar
ainda mais a sua utilização. Os ensaios de comparação interlaboratorial são uma ferramenta
importante também na análise do desempenho de equipamentos de ensaio e na sua comparação
em termos das suas principais características e resultados.
A Comissão Técnica RELACRE dos Materiais de Construção (CTR09) (Relacre@, 2014), através
do Grupo de Trabalho dos Ensaios de Campo (GT5), pretende realizar ensaios de aptidão
relativos ao FWD e que espera concretizar em 2015. Com base nas considerações e conclusões
apresentadas ao longo do artigo, nomeadamente a comparação bilateral do DIL, recomenda-se
que a organização e a execução do futuro ensaio de aptidão do FWD tenha em consideração os
seguintes aspetos:
•
•
•
•
Locais de ensaio (condições ambientais e estrutura do pavimento) – controlar as condições
ambientais, nomeadamente a temperatura; conhecer a estrutura do pavimento para o melhor
controlo dos resultados; realizar os ensaios em estruturas de pavimento diferentes
(pavimentos rígido e flexível).
Reprodutibilidade dos equipamentos (número de equipamentos) – incluir a participação do
maior número possível de equipamentos.
Repetibilidade dos resultados (força de impacto e deflexões) – variar a força de impacto
(diferentes patamares de carga) e proceder a várias aplicações da carga no pavimento;
variar a ordem de grandeza das deflexões medidas, em função da variação da carga e da
rigidez do pavimento e da respetiva fundação.
Outra informação – medir em cada ponto de ensaio a temperatura ambiente e a superfície
do pavimento; conhecer as incertezas dos equipamentos de medida (célula de carga e
242
sensores de medição das deflexões); conhecer a massa e a altura de queda; ter informação
sobre a calibração e verificação dos vários componentes do equipamento.
Com estas recomendações, espera-se contribuir para a concretização com sucesso deste ensaio
de aptidão, numa área especialmente difícil pela complexidade dos fatores envolvidos na
realização dos ensaios e que influenciam bastante os seus resultados. O programa de execução
deve estabelecer os critérios de realização dos ensaios, para além das metodologias a utilizar na
análise estatística dos resultados e na avaliação final do desempenho dos equipamentos.
REFERÊNCIAS
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Tese de Doutoramento, Universidade Técnica de Lisboa, 1993.
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243
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244

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