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Comissão Nacional de Energia Nuclear
CENTRO DE DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA NUCLEAR Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais
Desenvolvimento de técnicas para avaliação de combustíveis nucleares tipo placa pelo método de ensaio por ultra-som
Múcio José Drumond de Brito
Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Tecnologia
das Radiações, Minerais e Materiais 2008
Comissão Nacional de Energia Nuclear
CENTRO DE DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA NUCLEAR Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das
Radiações, Minerais e Materiais
DESENVOLVIMENTO DE TÉCNICAS PARA AVALIAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS NUCLEARES TIPO PLACA PELO MÉTODO DE ENSAIO POR ULTRA- SOM
Múcio José Drumond de Brito
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia das Radiações, Minerais e Materiais, como requisito parcial à obtenção do Grau de Mestre
Área de concentração: Ciência e Tecnologia dos Materiais
Orientador: Prof. Dr. Silvério Ferreira da Silva Júnior
Belo Horizonte
2008
i
“Se quer prever o futuro, estude o passado”
(Confúcio)
“Só a ciência é que evolui. Nada mais evolui... Nem a política, nem artes, nem costumes comportam evolução. Podem comportar diferenças. Evolu- ção não comportam. Só o que é adquirir conhecimentos evolui porque evoluir é aumentar”
“Não há critério de verdade senão não concordar consigo próprio. O universo não concorda consigo próprio, porque passa. A vida não concorda consigo própria porque, morre. O paradoxo é a fórmula típica da Natureza. Por isso toda a verdade tem uma forma(?) paradoxal” (Pensamentos – Fernando Pessoa – poeta português)
ii
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador:
● Silvério Ferreira da Silva Junior pelas sugestões e apoio no desenvolvimento deste trabalho.
Aos professores da pós-graduação
Que contribuíram para enriquecer este trabalho com estudos desde os fundamentos da energia
nuclear, prospecção e mineração do urânio até a tecnologia e gerência dos rejeitos radioativos.
A todos os colegas que fizeram comigo o curso da pós-graduação
Pela convivência, ajuda e motivação nos estudos.
À CNEN/CDTN
Pelo uso das instalações e equipamentos que possibilitaram a realização deste trabalho
Aos servidores e colegas de trabalho no CDTN
● José Marcos Messias pelo apoio, sugestões, execução de radiografias, usinagens de furos e
entalhes por eletroerosão e auxílio na construção do aquário do equipamento XYZ.
●Antônio Eugênio de Aguiar, Edilson Macena Pereira e Geraldo Antônio Scoralick Martins pela
usinagem das lentes acústicas e dos suportes de cabeçotes de ultra som no equipamento XYZ e
no tanque ultrasonic.
●Eduardo Antônio de Carvalho pela obtenção das medidas de raios de curvatura de lentes.
●Daniel Martins Braga pelo fornecimento das miniplacas combustível, sugestões, execução dos
embutimentos para ensaio metalográfico e medições no microscópio.
●João Bosco de Paula pelas informações relativas à fabricação das miniplacas combustível
●Vlamir Caio Estanislau de Almeida pela instalação de conectores em cabos coaxiais
●Donizete Anderson de Alencar pelo apoio e acesso à sua tese de doutorado.
●Sebastião Luiz Machado pela instalação dos registros e nivelamento do tanque ultrasonic.
●Todos os funcionários e chefias da EC2 : José Lúcio Terra e Tanius Rodrigues Mansur
Às secretárias
Maria José Campos P. da Costa e Marcia Valéria Lima S. Fagundes
À minha filha Fernanda Cassimiro Alves de Brito pelos serviços no computador, elaboração
dos desenhos e execução das fotografias.
iii
RESUMO
Uma das principais etapas na fabricação de combustíveis nucleares tipo placa, para a utilização
em reatores de pesquisa e de propulsão naval, consiste no desenvolvimento de métodos e técnicas
de ensaios não destrutivos para a avaliação do combustível nuclear durante a fabricação, assim
como para análises do combustível pós-irradiação. Os ensaios não destrutivos podem contribuir
para a detecção de descontinuidades durante as etapas de fabricação do combustível, como
trincas e falhas na união entre o cerrne e o revestimento, que podem provocar a falha do
combustível durante o seu uso em reatores nucleares. Métodos de ensaio como visual,
radiográfico, correntes parasitas e ultra-som podem ser utilizados para essa finalidade. Neste
trabalho foi abordado o uso do ensaio não destrutivo por ultra-som para a avaliação de
combustíveis nucleares tipo placa. Devido às pequenas espessuras dos combustíveis tipo placa,
assim como aos diferentes materiais presentes nos mesmos, foram utilizados, nos experimentos,
transdutores ultra-sônicos de contato com sapatas de atraso e transdutores de imersão. Os ensaios
foram realizados em um protótipo de combustível tipo placa constituído por um núcleo de UO2
disperso em uma matriz metálica de aço inoxidável, com revestimento em aço inoxidável. Neste
protótipo foram usinados diferentes tipos de refletores artificiais, simulando a presença de
descontinuidades naturais. Para os testes com os transdutores de imersão foi desenvolvido um
dispositivo para a obtenção do perfil do feixe sônico emitido pelos mesmos, de forma a
identificar a região de maior sensibilidade do feixe para o ensaio. Foram ainda fabricadas
algumas lentes acústicas para a focalização do feixe, neste caso, sem sucesso. O uso dos
diferentes tipos de transdutores ultra-sônicos possibilitou o estabelecimento de uma metodologia
para a detecção de descontinuidades com diferentes geometrias e dimensões. O protótipo de
combustível desenvolvido para os experimentos demonstrou ser adequado para estudos de
sensibilidade do sistema de ensaio.
iv
ABSTRACT One of the most important steps in the fabrication processes of plate type nuclear fuels, intended
to be used in research reactors or naval propulsion, is the development of nondestructive testing
(NDT) methods and techniques for their quality assessment during fabrication and post-
irradiation analysis. Those tests can contribute to detect discontinuities such as cracks and fails in
meat-cladding junctions, that can lead to failures when installed and used in reactors. Examples
of NDT methods that may be used for this purpose are visual inspection, radiography, eddy
current and ultrasound. The objective of this study is to present the utilization of ultrasound
methods to evaluate plate type nuclear fuels. Due to the small thicknesses of such kind of fuels,
as well as the presence of different materials, the ultrasonic transducers used to perform the
experiments were immersion type or contact with delay shims. Furthermore, a dummy plate fuel,
constituted by a dispersion of UO2 in stainless steel matrix, with stainless steel cladding, was
specially constructed. In the surface of such plate, several kinds of artificial reflectors, simulating
the presence of natural flaws were machined. For immersion type ultrasonic transducers, a
mechanical scanning system was developed to allow the determination of their sonic beam
profiles and identification of the highest sensitivity beam region. Additionally, some acoustic
lenses, useful to help on beam focalization, were fabricated and used, but the expected
performance was not achieved. The use of different kinds of ultrasonic transducers allowed the
establishing of a methodology to detect discontinuities of different geometry and sizes. The
developed dummy fuel demonstrated to be adequate for the studies of sensitivity of the test
system.
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
PESQUISA BIBLIOGRÁFICA
FIGURA 1 Montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais
nucleares. Elemento combustível cilíndrico 8
FIGURA 2 Esquema genérico de uma central nuclear tipo PWR 9
FIGURA 3 Combustível tipo placa caramelo. Placas e montagem. França 9
FIGURA 4 Miniplacas combustível soldadas nos suportes. Simulação feita no CDTN-
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte 10
FIGURA 5 Vista explodida de uma placa combustível 10
FIGURA 6 Vaso do reator do LABGENE/CTMSP 11
FIGURA 7 Submarino nuclear. CTMSP – Centro Tecnológico da Marinha em
São Paulo 11
FIGURA 8 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC.
Antes da laminação 14
FIGURA 9 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC.
Pós laminação 14
FIGURA 10 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave
a 225 ºC. Antes da laminação 15
FIGURA 11 Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave
a 225 ºC. Pós laminação 15
FIGURA 12 (A) Foto micrografia do pó de UO2 sinterizado (B) Cerne da miniplaca
combustível formado pelo pó de UO2 sinterizado (fase branca) disperso
na matriz pó de aço inoxidável 304 (fase escura) 16
FIGURA 13 Modelo de um corpo elástico 21
FIGURA 14 Oscilação senoidal de uma mola carregada 21
FIGURA 15 Diagrama típico de um sistema ultra-sônico pulso-eco 22
FIGURA 16 Características construtivas de cabeçote normal (imersão) e angular (contato) 23
FIGURA 17 Características construtivas de cabeçote normal para teste manual
por contato 23
vi
FIGURA 18 Anomalias do feixe sonoro 24
FIGURA 19 Montagem típica do método Schilieren 25
FIGURA 20 Esquerda: Estrutura de interferência de campo sonoro. Princípio de
Huygens. Direita: Campo sonoro de um oscilador (cristal) com d/λ=6,7.
Zonas claras: alta pressão sonora. Zonas escuras: baixa pressão sonora 26
FIGURA 21 Princípio de Huygens. Cada fonte pontual emite uma onda esférica (wavelet) 27
FIGURA 22 Resultante é onda plana 27
FIGURA 23 Onda plana ultra-sônica incidindo na superfície de uma esfera de aço e
retornando ao cristal do cabeçote como onda esférica 28
FIGURA 24 Difração em aberturas 29
FIGURA 25 Onda longitudinal 31
FIGURA 26 Onda transversal 31
FIGURA 27 Onda longitudinal e transversal no interior da peça de teste 32
FIGURA 28 Conversão de modo: modo longitudinal na sapata plástica para modo
transversal na peça de teste 32
FIGURA 29 Feixe incidente normal 34
FIGURA 30 Feixe incidente 5º 34
FIGURA 31 1º ângulo crítico 35
FIGURA 32 2º ângulo crítico 36
FIGURA 33 Teste ultra-sônico com cabeçote angular 37
FIGURA 34 Ondas Rayleigh ou ondas superficiais 38
FIGURA 35 Onda superficial ou Rayleigh no aço. Oscilação elíptica e sentido de rotação 38
FIGURA 36 Ondas Lamb simétricas (dilatacional) e assimétricas (dobramento) 41
FIGURA 37 Ondas Lamb ou de placa em alumínio
Em cima: modo simétrico ou dilatacional (dilatational)
Em baixo: modo assimétrico ou dobramento (bending) 41
FIGURA 38 Zonas: morta, próxima, remota e ângulo de divergência do feixe sonoro 45
FIGURA 39 Comprimento N do campo próximo. Região escura: alta pressão sonora.
Região clara: baixa pressão sonora 45
FIGURA 40 Exemplo de comportamento da pressão acústica ao longo do feixe
ultra-sônico 45
vii
FIGURA 41 Efeito de parede. Conversão de modo causado por divergência do
feixe sonoro 46
FIGURA 42 Freqüência do eco f = f0 e largura de banda ∆f = fs – fi 51
FIGURA 43 Envelope do eco obtido na varredura lenta de uma descontinuidade
de referência 53
FIGURA 44 Feixes ultra-sônicos: não focalizado e focalizado (com lente) 54
FIGURA 45 Técnicas de focalização (a) lente bicôncava (b) lente plano côncava 54
FIGURA 46 Perfis dos feixes ultra-sônicos do cabeçote focalizado em linha (elipse)
e cabeçote SE (Dois cristais: um cristal emissor de som e outro cristal
receptor do som refletido na peça) 55
FIGURA 47 Efeito segunda lente trazendo o ponto focal para mais perto da
superfície 57
FIGURA 48 Sistema típico para teste ultra-sônico de imersão 58
FIGURA 49 Ondas sonoras senoidais incidente, refletida e transmitida 59
FIGURA 50 Frentes de ondas sonoras incidente, refletida e transmitida 59
FIGURA 51 Teste de imersão em alumínio 61
FIGURA 52 Fator de transmissão (T) x Impedância acústica da placa de
proteção do cristal ( )pZ 63
FIGURA 53 Efeitos de superfícies inclinadas sobre o feixe ultra-sônico 63
FIGURA 54 Efeito da superfície convexa 64
FIGURA 55 Efeito da superfície côncava 64
FIGURA 56 Efeitos das superfícies na intensidade sonora 65
FIGURA 57 Efeitos das descontinuidades na intensidade sonora 65
FIGURA 58 Esquema do equipamento XYZ para traçar o perfil do feixe sonoro
utilizando uma esfera como alvo refletor. 68
FIGURA 59 Parede de fundo (backwall) 70
FIGURA 60 Furo cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole) 70
FIGURA 61 Furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole) 70
FIGURA 62 (a) entalhe (notch) (b) ranhura (groove) 71
viii
METODOLOGIA
FIGURA 63 Conjunto moldura (picture frame), pastilha e duas placas de revestimento
Espessura inicial da moldura (picture frame) = 6,35 mm (1/4”)
Espessura inicial da pastilha combustível UO2/inox = 6,35 mm (1/2”)
Espessura inicial de cada miniplaca de revestimento = 1,00 mm 72
FIGURA 64 Montagem inicial da miniplaca combustível antes do fechamento por
soldagem TIG nas bordas moldura/revestimento para posterior laminação
Espessura total da miniplaca combustível antes da laminação = 8,35 mm 73
FIGURA 65 Lado esquerdo: laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas
Lado direito: forno tubular 1300 ºC 74
FIGURA 66 Seqüência típica empregada na construção de miniplaca combustível
incluindo a montagem em suportes resultando na simulação do elemento
combustível mostrado na FIG. 4 75
FIGURA 67 Miniplaca combustível apresentando inchação (swelling) visível na
região do núcleo na placa 76
FIGURA 68 Máquina de eletro-erosão por penetração (e não por fio) para usinagem de
padrões artificiais de referência, tais como, furos de fundo plano e entalhes 78
FIGURA 69 Miniplaca combustível PE 01 antes da usinagem dos refletores de
referência: furos de fundo plano e entalhes 79
FIGURA 70 Discoton. Equipamento de corte 79
FIGURA 71 Cabeçotes de ultra som de contato com sapata plástica de atraso (delay
line transducers). Esquerda: DTZ 57 AB920 – 10 MHz;
Direita: DTZ 57 AB985 – 15 MHz 80
FIGURA 72 Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som correspondendo a uma
descontinuidade a 0,50 mm de profundidade na placa combustível 80
FIGURA 73 Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som referentes à espessura
da placa combustível na região de exame 81
FIGURA 74 Equipamento para embutir amostras para exames metalográficos 81
FIGURA 75 Equipamento para polir amostras metalográficas 82
FIGURA 76 Fotografia dos seis cabeçotes de imersão utilizados nos experimentos 83
ix
FIGURA 77 Lâminas (Radius Gage Mitutoyo) para determinação dos raios de curvatura
dos cristais dos 4 cabeçotes de imersão focalizados (4º ao 6º na sequência)
mostrados na FIG. 76 84
FIGURA 78 Equipamento XYZ para traçar o perfil de feixes ultra-sônicos de cabeçotes
De imersão. Ver esquema na (FIG. 58) 86
FIGURA 79 Esquema da movimentação do cabeçote nas coordenadas XYZ sobre os
alvos refletores (esfera, pino ou arame) para traçar o formato do volume
focal ultrasônico em cujo comprimento ∆z deverão ser inseridas placas
combustível para serem inspecionadas 86
FIGURA 80 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca
combustível sem falha na ligação combustível / revestimento 93
FIGURA 81 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca
combustível sem falha na ligação combustível / revestimento 93
FIGURA 82 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca
combustível com falha na ligação combustível / revestimento inferior 94
FIGURA 83 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca
combustível com falha na ligação combustível / revestimento inferior 94
FIGURA 84 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca
combustível com falha na ligação combustível / revestimento superior 95
FIGURA 85 Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões sonoras transmitidas
(%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca
combustível com falha na ligação combustível / revestimento superior 95
x
RESULTADOS
FIGURA 86 Miniplaca obtida para a realização dos experimentos identificada como
PE 01 96
FIGURA 87 Radiografia mostrando o contorno ovalado do núcleo UO2/aço inox 304
da miniplaca combustível PE 01 pós laminação. Não foi detectada a
falha na ligação (bonding failure) combustível/revestimento dentro do
contorno ovalado 96
FIGURA 88 Tubo de raios X de tensão máxima 300 Kvp 97
FIGURA 89 Embutimento A, não apresentando falha na ligação moldura revestimento
visível a olho nu (a) e embutimento B, apresentando falha na interface
moldura/revestimento visível a olho nu (b) 98
FIGURA 90 Microscópio ORTHOLUX II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY 98
FIGURA 91 Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento A 99
FIGURA 92 Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento B
FIGURA 93 Espessuras dos componentes da miniplaca combustível PE 01 101
FIGURA 94 Esquema da numeração 1 a 30 dos furos de fundo plano e entalhes sobre a
superfície A da miniplaca combustível PE 01. Ver quadro na FIG. 115 102
FIGURA 95 Esquema mostrando o corte transversal, no sentido da espessura, da
localização, diâmetros, profundidades, comprimentos e larguras dos
furos de fundo plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE 01
da FIG. 94. Ver quadro na FIG. 115 102
FIGURA 96 Foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e
entalhes usinados pela superfície B 103
FIGURA 97 Numeração 1 a 30 na superfície A da miniplaca combustível PE 01
Identificando os furos de fundo plano e os entalhes. Ver quadro na
FIG. 115 103
FIGURA 98 Perfil feixe/características 1421 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 12,7 mm 105
FIGURA 99 Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 5 mm 106
FIGURA 100 Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4 MHz – Esfera 12,7 mm 107
FIGURA 101 Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – Esfera 12,7 mm 108
xi
FIGURA 102 Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – Esfera 5 mm 109
FIGURA 103 Perfil feixe/características L10ML15 – 10 MHz – Krautkr. Esfera 5 mm 110
FIGURA 104 Perfil feixe/características L10ML15 – 10 MHz – Krautkr. Esfera 12,7 mm 111
FIGURA 105 Perfil feixe/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 5 mm 112
FIGURA 106 Perfil feixe/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 12,7 mm 113
FIGURA 107 Perfil feixe/características DIZ 57ª8919 – 10 MHz – Autom. – Esfera 5 mm 114
FIGURA 108 Perfil feixe/características DIZ 57A8919-10 MHz – Autom. – Esfera 12,7 mm 115
FIGURA 109 Tela típica de ligação moldura/revestimento adequada 118
FIGURA 110 Tela típica de ligação combustível/revetimento adequada 119
FIGURA 111 Tela típica de falha na ligação combustível/revestimento 119
FIGURA 112 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em maior
profundidade. Furo nº 5, diâmetro 2,00 mm, profundidade A = 1,90 mm.
Eco visível do furo a 40% da altura da tela. Teste pela superfície A. 120
FIGURA 113 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em menor
profundidade ou próximo à superfície. Furo nº 2, diâmetro 2,50 mm,
profundidade A = 0,50 mm 120
FIGURA 114 Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado próximo à
superfície e com diâmetro maior que 3 mm. Furo nº 4, diâmetro 4 mm,
profundidade A = 0,50 mm. 121
FIGURA 115 Quadro dos resultados obtidos pela incidência dos feixes ultra-sônicos
sobre os furos de fundo plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01.
Ver (FIG. 88, 89 e 90). 123
FIGURA 116 Altura da tela (%) x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 10 MHz 124
FIGURA 117 Altura da tela x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 15 MHz 124
FIGURA 118 Visão geral do tanque ultrasonic durante a realização de um teste
de ultra som por imersão 126
FIGURA 119 Direção de varredura convencionada para testes com cabeçotes
de imersão focalizados em linha (elipse) 127
FIGURA 120 Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz. posicionado
fora do entalhe 22. Eco da superfície a 80% da altura da tela Inspeção
pela superfície A. 128
xii
FIGURA 121 Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado
sobre o entalhe 22. Redução na altura do eco de 80% da altura da tela
para 50% da altura da tela. 128
FIGURA 122 Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo nº 1 – Diâmetro
2 mm, profundidade A = 0,50 mm. Pequeno eco do lado direito do
eco da superfície. Comparar com a (FIG. 120). 129
FIGURA 123 Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo 5 – Diâmetro
2 mm, profundidade A = 1,90 mm. Pequeno eco do lado direito do
eco da superfície. Comparar com a (FIG. 120). 129
FIGURA 124 Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado fora
do entalhe 25: comprimento 4 mm; largura 0,20 mm;
profundidade A = 1,20 mm. Eco da superfície a 80% altura da tela.
Inspeção pela superfície A. 130
FIGURA 125 Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado sobre
o entalhe 25. Redução na altura do eco de 80% para 60% da altura da tela.
da tela. Inspeção pela superfície A. 131
FIGURA 126 Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha – posicionado
fora do núcleo. Eco da superfície a 80% da altura da tela 131
FIGURA 127 Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha – posicionado
dentro dos limites do núcleo. Esta figura é igual à FIG. 126. Não
detecta falha na ligação (bonding failure) 132
FIGURA 128 Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha – posicionado
sobre o furo 1 – diâmetro 2 mm, profundidade A = 0,50 mm.
Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de fundo plano 132
FIGURA 129 Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha – posicionado
sobre o furo 5 – diâmetro 2 mm, profundidade A =1,90 mm.
Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de fundo plano 133
FIGURA 130 Cabeçote focalizado em ponto SIJ 386, 10 MHz, posicionado sobre o
limite superfície/fundo do furo 12. Inspeção pela superfície B. 134
xiii
FIGURA 131 Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919 posicionado sobre o
limite superfície/fundo do furo 8 a partir da superfície B. 1º eco é o da
superfície e o 2º é o eco do fundo do furo. Teste pela superfície B. 136
FIGURA 132 Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, 10 MHz, posicionado
sobre o limite superfície/fundo do furo 12. 1º eco é o eco da superfície
e o 2º eco é o eco do fundo do furo. Inspeção pela superfície B 137
APÊNDICES
APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear 150
APÊNDICE A2 – Ciclo do combustível nuclear detalhado 151
APÊNDICE B – Fabricação e teste de lentes acústicas 152
FIGURA B1 Seis lentes acústicas de plexiglass fabricadas no CDTN 152
FIGURA B2 Feixes sonoros divergindo ao incidirem em superfície convexa e
convergindo ao incidirem em superfície côncava 153
FIGURA B3 Lente bicôncava. Cristal separado da lente induz uma onda transversal
(shear) na lente devido à incidência angular da onda longitudinal 154
FIGURA B4 Lente plano côncava. Cristal colado à lente produz um comprimento N
de campo próximo maior do que o comprimento focal da lente 155
FIGURA B5 Raio r de abertura da lente e raio R de curvatura da lente 156
xiv
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 Propriedades do dióxido de urânio (UO2) 6
TABELA 2 Ângulos incidentes de feixe sonoro longitudinal de 5 MHz,
velocidades de fase e modos de vibração de ondas Lamb
produzidos 42
TABELA 3 Velocidade, densidade, impedância acústica, fator de reflexão,
fator de transmissão e índice de refração para materiais envolvidos
no teste ultra-sônico de materiais 62
TABELA 4 Resultados das medições para cada uma das quatro espessuras de
revestimento 100
TABELA 5 Resultados obtidos para a média e o intervalo de confiança da média
para a espessura dos revestimentos 1A , 2A, 1B e 2B 101
TABELA B1 Propriedades acústicas de vários materiais para lentes 154
xv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
AISI American Iron and Steel Institute
ASNT American Society for Nondestructive Testing
ASTM American Society for Testing and Materials
BWR Boiling Water Reactor (Reator a água fervente)
CCHEN Comissão Chilena de Energia Nuclear
CCN Centro de Combustível Nuclear
CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear
CEA Centro Experimental de Aramar
CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear
CTMSP Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo
FCN Fábrica de Combustível Nuclear
FR Fast Neutron Reactor
HEU High Enrichment Uranium
IAEA International Atomic Energy Agency
IEA Instituto de Energia Atômica
INAP Instalação Nuclear a Água Pressurizada
INB Indústrias Nucleares Brasileiras
IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
KWU Kraftwerk Union
LABGENE Laboratório de Geração Núcleo Elétrica da Marinha em São Paulo
LEU Low Enrichment Uranium
LMR Liquid Metal Reactor (Reator a metal líquido)
LWR Light Water Reactor (Reator a água leve)
MTR Material Testing Reactor
NPIC Nuclear Power Institute of China
NUCLEN Nuclebrás Engenharia S.A.
PWR Presurized Water Reactor (Reator a Água Pressurizada)
REICH Reator de pesquisa do Chile
RETEMA Reator de Teste de Materiais
xvi
LISTA DE SÍMBOLOS α Nível de significância ou risco (Estatística) 1 - α Intervalo de confiança (Estatística) µ média (Estatística) σ Desvio padrão (Estatística) σ2 Variância (Estatística) N(µ, σ) Distribuição normal (Estatística) N(0,1) Distribuição normal padronizada (Estatística) ν Grau de liberdade (Estatística) µ Permeabilidade magnética (material) σ Condutividade (material γ Ãngulo de divergência do feixe ultrasônico
δ Profundidade padrão de penetração das correntes parasitas λ Comprimento de onda Σ’ Frente de onda ρ Densidade do material φ Ângulo de incidência do feixe ultrasônico αP coeficiente de potência αTM coeficiente de temperatura do moderado ρ reatividade τ burn-up ou queima de combustível nuclear aeff Metade do comprimento efetivo do lado maior de cristais retangulares Ag-In-Cd Prata-Índio-Cádmio (Material de barras absorvedoras) Am-Be Amerício-Berílio AUC Carbonato de uranilo 141Ba56 Bário 141 bar Unidade de pressão – 1,02 kgf/cm2 ou 0,07 psi Bq Bequerel Btu British Thermal Unit c Velocidade do som dentro do material sob teste ºC Graus centígrados cal Caloria Cl- Íon cloreto CERMET Cerâmica/metal (Ex: Combustível cerâmica UO2 dispersa em metal aço inox) CFC Cúbico de Face Centrada Ci Curie CO2 Dióxido de carbono 137Cs55 Césio 137 dB decibel Deff Diâmetro efetivo do cristal piezoelétrico Deff ≈ 0,97.D0 Dfx6 Diâmetro focal de valor médio na direção X Dfy6 Diâmetro focal de valor médio na direção Y D0 Diâmetro real do cristal piezoelétrico DGS Distance Gain Size
xvii
DL Menor diâmetro focal ou limite de difração ou Airy disk of the first order DUA Diuranato de amônio DUS Diuranato de sódio e 2,72 ERS Equivalent Reflector size eV Elétron volt ∆V(dB) Diferença de ganho entre as alturas de dois ecos Epite Potencial de pite f freqüência F Comprimento focal ºF Graus farenheit FBH Flat Bottom Hole (Furo de fundo plano) FBn Largura focal no eixo X FLn largura focal no eixo Y FTn Profundidade focal ou comprimento focal no eixo Z ft feet (pés) GP Ganho da lente acústica Groove Ranhura GWd/t Gigawatt-dia/tonelada 2H1 Deutério 3H1 Trítio HF Ácido fluorídrico HNO3 Ácido nítrico hr hour (hora) Hz Hertz Jx Densidade das correntes parasitas a uma profundidade x J0 Densidade das correntes parasitas na superfície 92Kr36 Kriptônio 92 K Grau de focalização NFK = k fator de multiplicação de nêutrons Kc Kilociclo Kc Condutividade térmica da fase contínua (aço inoxidável) Kd Condutividade térmica da fase descontínua Kgf Kilograma-força KHz Kilohertz Km Condutividade térmica da mistura UO2/aço inoxidável KVp Kilovoltagem de pico KW Kilowatt KWh Kilowatthora mA Miliampère MHz Megahertz MW Megawatt MWd/t Megawatt-dia/tonelada MWe Megawatt elétrico (Saída de eletricidade de usina geradora de energia) n Índice significando nº de dBs ( 6 dB, 12 dB ou 20 dB) 1n0 nêutron
xviii
N Comprimento do campo próximo no feixe ultra-sônico Na Sódio Nb Nióbio Notch Entalhe P Potência do reator nuclear Pa Pascal (unidade de pressão) 1 N/m2 = 0,102 kgf/m2 pcm partes por cem mil psi Pound square inch (libra/polegada2) 1 psi = 14,5 bar = 14,8 kgf/cm2 Pt Pressão (amplitude ou energia) 239Pu94 Plutônio 239 r raio de abertura da lente acústica R Fator de reflexão Rc Raio de curvatura da lente acústica rpm rotações por minuto SDH Side Drilled Hole (Furo cilíndrico) T Fator de transmissão TCAU Tricarbonato de amônio e uranilo TIG Tungsten Inert Gas TM Temperatura do moderador U0 Urânio metálico 233U92 Urânio 233 235U92 Urânio 235 238U92 Urânio 238 UO2 Dióxido de urânio U3O8 Octóxido de triurânio U3Si2 Siliceto de Urânio UO3 Óxido laranja UF4 Sal verde UF6 Hexafluoreto de urânio UNH Hexahidrato de nitrato de uranila X Fator de enchimento = totalvolumeUOvolume 2 VL Velocidade longitudinal VT Velocidade transversal VP Velocidade de fase Z Impedância acústica (Kg.m2/s) Zc Impedância acústica do cristal Zm Impedância acústica do material Zp Impedância acústica da placa de proteção
xix
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ii
RESUMO iii
ABSTRACT iv
LISTA DE ILUSTRAÇÕES v
LISTA DE TABELAS xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS xv
LISTA DE SÍMBOLOS xvi
1 INTRODUÇÃO 1
2 PESQUISA BIBLIOGRÁFICA
2.1 Espécies de combustível 2
2.2 Combustível nuclear cerâmica/metal tipo placa para reatores de potência 3
2.3 Outros combustíveis cerâmica/metal de dispersão: UO2 em berílio e
UO2 em zircônio; Vantagens e desvantagens 4
2.4 Coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação combustível/revestimento 4
2.5 Propriedades do UO2 utilizado na forma não enriquecida para compor
o núcleo da miniplaca combustível fabricada no CDTN 4
2.6 Pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares
cerâmicos em forma de vareta e em forma de placa 6
2.7 Atividades de pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis
nucleares cerâmicos em forma de placa no CDTN/CNEN para reatores
de potência 12
2.8 Falhas no revestimento do combustível do reator de pesquisa IEA – R1
do IPEN 17
2.9 Garantia da qualidade e testes não destrutivos de materiais 17
2.9.1 Método de líquido penetrante 18
2.9.2 Método de partícula magnética 18
xx
2.9.3 Método de radiografia 19
2.9.4 Método de ultra som 19
2.9.5 Método de correntes parasitas ou correntes induzidas ou eddy current 19
2.10 Teste não destrutivo por ultra som 19
2.10.1 Introdução 19
2.10.2 Geração de onda ultra-sônica e piezeletricidade 20
2.10.2.1 Zona morta, zero elétrico, zero acústico e bloco amortecedor 22
2.10.2.2 Características construtivas de cabeçotes de ultra som 23
2.10.3 Obtenção do perfil do feixe sonoro por método ótico.
Princípio de Huygens 24
2.10.3.1 Experimento com alvo esfera: onda plana incidente e onda esférica
refletida pela superfície de uma esfera 27
2.10.4 Difração 29
2.10.5 Princípios do teste ultra-sônico de materiais 30
2.10.5.1 Onda longitudinal e onda transversal 30
2.10.5.2 Refração, conversão de modo e lei de Snell 33
2.10.5.3 1º ângulo crítico 34
2.10.5.4 2º ângulo crítico 35
2.10.5.5 Cabeçotes angulares de contato 36
2.10.5.6 Ondas Rayleigh ou superficiais 37
2.10.5.7 Ondas de placa ou Lamb 39
2.10.5.8 Zona morta, zona próxima e zona remota. Ângulo de divergência 43
2.10.5.9 Detecção de descontinuidades nas três zonas: morta, próxima e remota 46
2.10.5.9.1 Detecção na zona morta 46
2.10.5.9.2 Detecção na zona próxima ou campo próximo 46
2.10.5.9.3 Detecção na zona remota ou campo remoto 47
2.10.5.10 Cálculo do comprimento N do campo próximo 47
2.10.5.11 Ganho ou sensitividade (dB) 49
2.10.5.12 Freqüência do eco (f) 51
2.10.6 Teste manual e teste automatizado. Envelope do eco 52
2.10.7 Cabeçote focalizado e cabeçote SE 53
xxi
2.10.7.1 Formato dos focos dos feixes sonoros de cabeçotes normais, cabeçotes
focalizados em linha e em ponto, cabeçotes SE e cabeçotes angulares 56
2.10.8 Convergência do foco ultra-sônico em metais ou outros materiais
Efeito segunda lente 56
2.10.9 Reflexão e transmissão 58
2.10.10 Efeitos das superfícies e das descontinuidades sobre o feixe sonoro 62
2.10.11 Formação de descontinuidades em forjados, laminados e extrudados 65
2.10.12 Detecção de descontinuidades próximas à superfície 66
2.10.13 Granulação grosseira. Diâmetro médio das microesferas. Altos níveis
de ruído. Detecção ultra-sônica. 67
2.10.14 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico num tanque de imersão 67
2.10.15 Refletores de referência 69
3 METODOLOGIA
3.1 Fabricação de miniplaca combustível com núcleo de pastilha UO2/aço inox 72
3.2 Controle da qualidade nas miniplacas combustível 77
3.2.1 Critérios para adoção dos refletores de referência para o teste não
destrutivo por ultra-som 77
3.2.2 Procedimentos para determinação da localização e da profundidade dos
Refletores usinados sobre a superfície da miniplaca combustível PE 01 78
3.2.2.1 Ensaio inicial para a identificação de regiões com descontinuidades 78
3.2.2.2 Preparação de amostras metalográficas das regiões da miniplaca com
e sem descontinuidades 81
3.3 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçotes de imersão 82
3.3.1 Procedimentos para traçar o perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote
de imersão utilizando o equipamento XYZ 84
3.3.2 Estabelecimento dos critérios para seleção dos diâmetros das esferas
de aço usadas como refletores no traçado do perfil do feixe ultra-sônico
de cabeçote de imersão 87
xxii
3.3.3 Regra empírica para determinação aproximada do diâmetro efetivo Deff do
cristal do cabeçote de ultra-som quando não se conhece o diâmetro real D0 90
3.4 Análise dos fatores de transmissão e reflexão para os feixes ultra-sônicos
dos cabeçotes utilizados no exame por ultra-som da interface combustível/
revestimento com e sem falha de ligação 91
RESULTADOS
4.1 Placa combustível
4.2 Análises das amostras metalográficas retiradas da placa combustível PE-01 97
4.2.1 Amostras metalográficas 97
4.2.2 Medição das espessuras dos revestimentos nos embutimentos A e B 99
4.3 Localização e dimensões dos refletores de referência: furos de fundo
plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE 01 102
4.4 Caracterização dos perfis dos feixes ultra-sônicos dos cabeçotes de imersão
com alvo de esferas de 5,0 mm e 12,7 mm 104
4.5 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste
ultra-sônico por imersão 116
4.6 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste
ultra-sônico por contato 116
4.7 Ensaio inicial por ultra-som da miniplaca PE-01 117
4.8 Inspeção por ultra-som em miniplacas combustível 117
4.8.1 Identificação do revestimento e da superfície do revestimento da
miniplaca PE 01 117
4.8.2 Cabeçotes de contato 117
4.8.2.1 Telas típicas de detecção de ligação e falha de ligação entre moldura e
revestimento e de detecção de furos de fundo plano e entalhes 118
4.8.2.2 Discussão dos resultados – Cabeçotes de contato 121
4.8.2.2.1 Detecção de falhas na ligação 121
4.8.2.2.2 Exame por ultra-som de miniplacas combustível adicionais 122
xxiii
4.8.2.2.3 Detecção dos fundos de furos de fundo plano situados em profundidades
maior A = 1,90 mm e profundidade menor A = 0,40 mm e A = 0,50 mm 122
4.8.2.2.4 Detecção dos entalhes 122
4.8.2.2.5 Quadro e gráficos apresentando os resultados da inspeção utilizando
cabeçotes normais com sapata plástica de atraso 122
4.8.3 Cabeçotes de imersão 125
4.8.3.1 Visão geral do tanque ultrasonic para realização de testes de ultra-som
por imersão 125
4.8.3.2 Exames com cabeçote normal 1421 Karl Deutsch – 4 MHz 126
4.8.3.3 Exames com cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz 126
4.8.3.4 Direção de varredura convencionada para a inspeção por ultra-som
com cabeçotes de imersão focalizados em linha (elipse) 127
4.8.3.5 Exames com cabeçote focalizado em linha (elipse)
1514 Karl Deutsch – 4 MHz 127
4.8.3.6 Detecção com cabeçote focalizado em linha (elipse)
L10ML15 – 10 MHz 130
4.8.3.7 Detecção com cabeçote focalizado em ponto (círculo) SIJ 386 – 10 MHz 133
4.8.3.7.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz 133
4.8.3.7.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz 134
4.8.3.8 Detecção com cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz – Quase normal –
Raio Rc de curvatura do cristal muito grande, cristal quase plano.
Focalizado em ponto (círculo) 135
4.8.3.8.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz 135
4.8.3.8.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz 136
5 Discussão geral dos resultados 138
5.3.1 Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso (delay line transducer) 138
5.3.2 Cabeçotes de imersão 139
5.4 Provável causa de não detecção de falha na ligação (bonding failure)
pelos cabeçotes de imersão 140
xxiv
5.5 Onze quadros de perfis de feixes ultra-sônicos dos cabeçotes da FIG. 76
apresentados nas FIG. 98 a 108 140
5.6 Publicação relatando dificuldade para determinar os refletores de
referência e determinar o ganho de referência a ser estabelecido no
equipamento de ultra-som 142
5.7 Caso real de falha no revestimento 143
5.8 Falhas na ligação (bonding failure) observadas no microscópio e não
detectadas por ultra-som 144
5.9 Fabricação sem êxito de lentes acústicas 144
6 Conclusões e sugestões 146
6.1 Características e tipos de cabeçotes de ultra-som para a inspeção
de combustíveis nucleares tipo placa 146
6.1.1 Verificação da possibilidade de aquisição de cabeçotes de imersão
com outras freqüências e outras características 147
6.1.2 Verificação de possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de
contato com sapatas de atraso e cabeçotes SE 147
6.2 Confecção de novas miniplacas combustíveis alterando os parâmetros
de fabricação 147
6.3 Testes de irradiação para verificar o desempenho de combustível nuclear 147
6.4 Verificação de possibilidade de acesso a normas oficiais 148
6.5 Objetivos e benefícios pretendidos por este trabalho 148
7 Propostas para trabalhos futuros 149
7.1 Inspeção ultra-sônica automatizada por imersão 149
7.2 Projeto e fabricação de lentes acústicas 149
APÊNDICES
APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear 150
APÊNDICE A2 - Ciclo do combustível nuclear mais detalhado 151
APÊNDICE B – Fabricação e teste de lentes acústicas 152
REFERÊNCIAS 159
1
1 INTRODUÇÃO
A fabricação e o controle da qualidade dos combustíveis nucleares tipo placa estão inseridos
dentro de um contexto direcionado à produção eficiente de energia nuclear. Via de conseqüência,
o conhecimento geral do contexto é importante na medida em que a ampla compreensão alicerça
o sentimento sobre a matéria. Considerou-se, portanto, como adequada, a abordagem da
contextualização valendo-se da pesquisa à bibliografia concernente, complementada pela
pesquisa às disciplinas lecionadas durante o curso do Programa de Pós-Graduação em Ciências e
Tecnologia das Radiações Minerais e Materiais de 2006 no Centro de Desenvolvimento da
Tecnologia Nuclear (CDTN) em Belo Horizonte, sob a coordenação do Prof. Dr. Francisco Javier
Rios. Assim, foram apresentadas informações relativas à energia nuclear desde seus
fundamentos, estrutura de cristal e parâmetro de rede do UO2, geração núcleo elétrica até a
gerência e tecnologia de rejeitos radioativos. Importante também observar que o urânio, para ser
usado como combustível no reator deve sofrer processos de concentração/purificação para ficar
livre de elementos que possuem consideráveis seções transversais para captura de nêutrons. Tais
processos, também relacionados com a qualidade final do combustível, levam a incluir no
contexto, descrições sobre minerais primários e secundários, prospecção, mineração,
hidrometalurgia do urânio, lixiviação, extração por solvente do nitrato de uranila, troca iônica,
precipitação química, volatilização do UF6 e obtenção de pastilhas de liga microesferas UO2/aço
inoxidável que constituem o cerne do combustível nuclear tipo placa. Este tipo de combustível
constitui uma das propostas apresentadas pelo Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo
(CTMSP) com a finalidade de se obter geração elétrica adaptável à propulsão naval. A pesquisa
convergiu para a fabricação sem êxito de lentes acústicas para a focalização do feixe sonoro. O
sucesso do projeto e montagem do equipamento XYZ, para traçar o perfil do feixe ultrasônico de
cabeçotes de imersão focalizados ou não, tornou mais segura e precisa a detecção e avaliação de
descontinuidades na placa combustível. Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso foram
também utilizados. A complementação destas duas técnicas, imersão e contato, conduziu a
resultados considerados satisfatórios obtidos em ambiente com certas restrições. A literatura
sobre o assunto é escassa e, portanto, no Brasil, este trabalho pode ser considerado inédito,
abrindo as portas para prosseguir o seu desenvolvimento e com novas abordagens, incluindo a
proposta atual do CTMSP que é a placa combustível cujo cerne é formado pela liga U-4Zr-2Nb.
2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Espécies de combustível
Na prática, essencialmente duas espécies de combustível têm sido usadas: metálico e cerâmico.
Uma terceira espécie é o combustível fluido. Exemplo de combustível metálico é o formado pelo
material combustível urânio metálico (Uº) , densidade de 18,7 g/cm3 que é maior que a densidade
da cerâmica UO2 , 10,96 g/cm3, considerada baixa densidade. Além disto, a cerâmica UO2 tem a
desvantagem de baixa condutividade térmica no valor de 0,2 cal/(seg)(cm2)(ºC/cm) em 20 ºC ,
sendo1 cal = 3,968x10-3 Btu (British thermal unit) ou 1Btu = 251,996 cal. Tipos especiais de
combustíveis cerâmicos de dispersão estão sendo desenvolvidos: partículas pequenas de urânio
(que é um actinídeo) ou óxido de urânio dispersas em metais tais como nióbio (ponto de fusão
2477 ºC), cromo (ponto de fusão 1907 ºC), níquel (ponto de fusão 1455 ºC), vanádio (ponto de
fusão 1910 ºC), molibdênio (ponto de fusão 2623 ºC). Exemplos de combustíveis cerâmicos são
os cermet e os cercer. O combustível cermet (combustível cerâmico disperso numa matriz
metálica) faz parte dos elementos combustíveis de dispersão, tais como cerâmica UO2 (dióxido
de urânio – ponto de fusão 2700 ºC) dispersa em matriz de aço inoxidável (ponto de fusão 1540
ºC) ou matriz de zircônio ( ponto fusão 1855 ºC ) usado em reatores de potência. Octóxido de
urânio (U3O8) ou siliceto de urânio (U3Si2 – ponto fusão 1665 ºC) dispersos em matriz de
alumínio (ponto de fusão 600 ºC) são usados em reatores de pesquisa e teste de materiais. O
combustível cilíndrico cercer (combustível cerâmico disperso numa matriz cerâmica, por
exemplo, UO2 disperso nas cerâmicas grafite ou alumina – Al2O3) que, futuramente, pode ter
duas possíveis aplicações (1) ser utilizado em reatores de potência refrigerados a água, ou seja, o
combustível cercer conteria os produtos de fissão e limitaria o risco de hidrogênio que é a reação
do combustível com água a altas temperaturas no caso de acidentes.
Cabe citar que a proposta atual sendo desenvolvida é a liga metálica U-4Zr-2Nb para dispersão
em ZrY (zircaloy – liga de zircônio; zircônio é metal de transição – ponto de fusão 1855 ºC)
constituindo o combustível metmet (metal metal) (AGUIAR, B., 2008).
3
2.2 Combustível nuclear cerâmica/metal tipo placa para reatores de potência
Neste texto, o combustível em questão é o combustível nuclear cermet (cerâmica/metal) tipo
placa, cujo núcleo (meat) é formado pela dispersão ou mistura do pó da cerâmica UO2 (dióxido
de urânio – ponto de fusão 2700ºC) ou microesferas da cerâmica UO2 (em substituição ao pó de
UO2) em pó metal de aço inoxidável 304 (ponto de fusão 1540ºC) para ser usado em reatores de
potência. Apenas como observação, o urânio (ponto de ebulição 4131 ºC), pertencente à família
dos actinídeos, tem ponto de fusão 1131,9 ºC que é menos da metade que o ponto de fusão do
UO2. O núcleo ou porção combustível, constituído da mistura ou dispersão de microesferas de
UO2 em aço inoxidável, é introduzido numa moldura (picture frame) e, este conjunto, revestido
de ambos os lados com chapas de aço inoxidável 304 resultando em uma placa combustível.Um
determinado número destas placas combustível é montada em estruturas suporte formando o
chamado elemento combustível nuclear tipo placa que é usado em reatores de pesquisa e teste
de materiais e em algumas formas de reatores de potência acondicionados e compactos do
exército, projetados para produção de potência em bases militares remotas e também usados em
propulsão naval: submarinos, porta aviões, quebra gelos e navios cargueiros (COLLECTION
DU COMMISSARIAT À L’ÉNERGIE ATOMIQUE, 1999, p. 22 e 67; FERRAZ et al, 2003, p.
13, 14, 15 e16; GLASSTONE S., SESONSKE A., 1967, p. 471, 472 e 476).
No Brasil, este combustível tipo placa constitui uma das propostas apresentadas pelo Centro
Tecnológico da Marinha em São Paulo (CTMSP) com a finalidade de se obter geração elétrica
adaptável à propulsão naval. Especificamente, se destina ao abastecimento do protótipo em terra
do reator de potência nuclear do submarino que está sendo desenvolvido pelo Centro Tecnológico
da Marinha em São Paulo (CTMSP) no Centro Experimental de Aramar (CEA) em Iperó a 120
km de São Paulo, através da execução de dois programas (1) Combustível nuclear (2) Propulsão
nuclear.
O programa combustível nuclear envolve as seguintes etapas do ciclo do combustível como
mostrado nos APÊNDICES A1 e A2: conversão, enriquecimento e fabricação de combustível
cerâmico que contém UO2. O programa propulsão nuclear, demonstrado por um protótipo em
terra sendo desenvolvido pelo CTMSP (LABGENE), tem por objetivo a obtenção
4
de capacitação tecnológica no projeto, fabricação de componentes, construção e operação de
instalações de geração elétrica adaptáveis à propulsão naval, no caso o submarino nuclear
(CENTRO TECNOLÓGICO DA MARINHA EM SÃO PAULO, 2005).
2.3 Outros combustíveis cerâmica/metal de dispersão: UO2 em berílio e UO2 em zircônio;
vantagens e desvantagens
Dispersões de UO2 (dióxido de urânio) em metais tais como berílio (excelente moderador e
refletor facilitando a transferência de calor do combustível para o refrigerante, mas é
relativamente quebradiço), zircônio (ponto de fusão 1840 ºC) onde, embora a economia de
nêutrons seja melhorada, existe a desvantagem da indesejável interação do Zry (zircaloy) com o
UO2 em temperaturas de reator, ou seja, reações químicas entre UO2 e as superfícies internas do
revestimento de zircaloy. Há penetração de produtos de reação no zircaloy a profundidades de
0,003” a 0,004” (0,07 mm a 0,10 mm) em combustíveis tipo vareta ( FERRAZ et al, 2004, p.
22/24; GLASSTONE et al, 1967, p.334; INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY,
1961, p. 255 e 366)
2.4 Coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação combustível/revestimento
Em qualquer elemento combustível, deve existir coesão completa, metalúrgica ou térmica, do
revestimento com o combustível, para que não haja uma redução da condutividade piorando,
portanto, as características de transferência de calor do combustível para o refrigerante, ou seja,
diminuindo a retirada de calor.
2.5 Propriedades do UO2, utilizado na forma não enriquecida, para compor o núcleo da
miniplaca combustível fabricada no CDTN
Na fabricação do núcleo do combustível tipo placa, em escala experimental e de laboratório no
CDTN, utilizou-se UO2 não enriquecido, cuja produção requer geralmente, como material de
partida, a solução aquosa concentrada de nitrato de uranila a partir do processo de extração por
5
solvente. O dióxido de urânio – UO2 - é uma cerâmica que é utilizada como material
combustível, especialmente em reatores de potência moderados a água (PWR e BWR – Boiling
Water Reactor). Possui a vantagem de estabilidade a altas temperaturas e resistência à radiação. É
quimicamente inerte à água, o que o faz atrativo para uso em reatores refrigerados a água
(incluindo BWR – reator a água fervente), onde as conseqüências de uma falha no revestimento
podem ser catastróficas se o material combustível reage com a água em ambiente de alta
temperatura. Outra propriedade benéfica do UO2 é sua habilidade de reter uma grande proporção
de gases de fissão - bromo, criptônio, iodo e xenônio. A maior desvantagem do dióxido de
urânio como material combustível é sua baixa condutividade térmica, embora isto seja
parcialmente compensado pelo fato que temperaturas muito altas (1100 ºC a 1700 ºC) são
permitidas no centro do combustível. A condutividade térmica do UO2 decresce enquanto a
temperatura é aumentada até 1100ºC (2010ºF). Isto, no projeto do reator, estabelece uma
limitação na potência a ser obtida com um dado tamanho da vareta ou placa combustível.
Algumas das importantes propriedades do dióxido de urânio estão listadas na TAB. 1. Pode-se
ver que UO2 possui baixa densidade teórica de 10,96 g/cm3. Há duas vantagens em se produzir
material de alta densidade (1) alta densidade significa um grande número de átomos de urânio por
unidade de volume, possibilitando maior queima (burn up) de 235U92 no combustível (2) alta
densidade significa grande condutividade térmica. Porém há uma desvantagem: a retenção de
gases de produtos de fissão é maior em combustível com alta densidade. A estrutura CFC do
cristal é a mesma estrutura da fluorita (CaF2). No centro ficam os íons +4U e nos vértices do
cubo íons −2O . Os diversos cubos se interpenetram. Outros compostos que possuem esta
estrutura são PuO2 e ThO2. UO2 possui um baixo coeficiente de expansão térmica : 9,7 x 10-6 K-1
na temperatura ambiente. Na temperatura de 1200 ºC a expansão do UO2 é apenas ∆l = 3,4 x 10 -
3l0 ou ∆l = 0,003.l0 em 1200 0C (CALLISTER, 2000, p.388; GLASSTONE S., SESONSKE A.,
1967, p.471, 472 e 477; INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY. Fuel element
fabrication with special emphasis on cladding materials - Volume 2, 1961, p. 328).
6
TABELA1. Propriedades do dióxido de urânio (GLASSTONE S., SESONSKE A, 1967, p.472) Ponto de fusão ...............................................................................2800ºC (5100ºF) Estrutura do cristal ........................................................................CFC (cúbica de face centrada) Parâmetro de rede, A .....................................................................5,468 Densidade teórica, g/cm3 ...............................................................10,96 Condutividade térmica, cal/(seg)(cm2)(ºC/cm).............................. 0,02 (em 20ºC) Coeficiente de expansão térmica, por ºC ....................................~ 1x10-5 (0 a 1000 ºC) Resistência à fratura (fracture strength), psi ................................~ 10,000 Módulo de elasticidade, 106 psi (1 psi = 14,5 bar)..........................25
2.6 Pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares cerâmicos em
forma de vareta e em forma de placa
Em 1968 o governo brasileiro, com a finalidade de adquirir experiência e capacitação
tecnológica, decidiu executar a prevista complementação termelétrica na área do Rio de Janeiro
através da construção da primeira usina nuclear em Angra dos Reis, RJ. Em 1969 houve uma
concorrência internacional vencida pela empresa norte-americana Westinghouse, que em 1972
iniciou os trabalhos de construção da usina Angra I, tipo PWR (Pressurized Water Reactor), com
uma potência de 657 MW. O reator tornou-se crítico em março de 1982 e entrou em operação
comercial em janeiro de 1985. Em junho de 1975, o Brasil e a Alemanha assinaram o Acordo de
Cooperação para o Uso Pacífico da Energia Nuclear e, concretizaram, em julho de 1975, a
aquisição das usinas nucleares Angra 2 e 3 à empresa alemã Kraftwerk Union A.G. – KWU,
subsidiária da SIEMENS. Assim, a usina de Angra 2, PWR e com uma potência de 1309 MW,
teve suas obras iniciadas em 1976. Furnas Centrais Elétricas S.A.(FURNAS) foi a contratante e a
Nuclebrás Engenharia S.A. (NUCLEN) ficou responsável pelo detalhamento do projeto básico,
sob a supervisão da empresa alemã Kraftwerk Union (KWU) (ELETROBRÁS
TERMONUCLEAR – ELETRONUCLEAR, 2005).
Este evento impulsionou, no Brasil, as atividades de pesquisa e desenvolvimento para obtenção
da tecnologia de fabricação de combustíveis nucleares, haja vista que este tipo de tecnologia não
se encontra disponível no mercado, apresentando uma importância estratégica para o país. Foram,
então, iniciadas na década de 1980 as atividades de pesquisa e desenvolvimento de combustíveis
nucleares no CDTN/CNEN – Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear/Comissão
Nacional de Energia Nuclear – empreendendo-se atividades no sentido de desenvolver
7
combustível nuclear cerâmico de ThO2 e UO2 para utilização em reatores de potência a água leve
pressurizada PWR (Pressurized Water Reactor).
Em 2001, a Fábrica de Combustível Nuclear (FCN), situada em Rezende, RJ, obteve sua
produção inicial de 20 toneladas de pó de UO2 enriquecido a 3,4% para a 10a recarga da Usina
Nuclear de Angra 1(650 Mw) e para o comércio externo. A recarga de Angra 1 necessita de 40
elementos combustíveis. O núcleo possui 121 elementos combustíveis. Em 2002, a FCN forneceu
a 1a recarga para a Usina Nuclear de Angra 2 (1300 Mw) e em 2003 abasteceu a 2a recarga de
Angra 2. Cada recarga de Angra 2 é constituída de 64 elementos combustíveis e o núcleo possui
193 elementos combustíveis (INDÚSTRIAS NUCLEARES DO BRASIL, 2005)
A monazita é o único minério de mineral tório disponível em quantidades para a utilização
comercial. Os fornecedores comerciais obtém a monazita a partir das areias monazíticas. As
maiores reservas de areias monazíticas se encontram no estado de Travancore, Índia, e existem
também consideráveis quantidades de monazitas na área do Rio Blind em Ontário, Canadá, e no
Brasil. Menos quantidades ocorrem na Austrália, Madagascar, África do Sul e Estados Unidos
(GLASSTONE SAMUEL, SESONSKE ALEXANDER,1967, p. 464)
Na FIG. 1 é apresentada a montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais
nucleares, elemento combustível cilíndrico constituído de varetas de zircaloy 4 onde estão
inseridas pastilhas de UO2. Na FIG. 2 está ilustrado o esquema genérico de uma central nuclear
tipo PWR.
8
FIGURA 1. Montagem do combustível para reator de potência PWR para centrais nucleares. Elemento combustível cilíndrico.
9
FIGURA 2. Esquema genérico de uma central nuclear tipo PWR.
Na FIG. 3 é mostrada a montagem de placas combustível formadas por vários núcleos em forma
retangular (caramelo), fabricado na França. Os combustíveis em forma de placa são usados em
reatores de pesquisa e teste de materiais e também em reatores de potência para propulsão naval.
Vários materiais são usados no núcleo: ligas UAl e UZr ou combustível cermet, cujo núcleo é
constituído por dispersão da cerâmica UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304 ou matriz (pó)
de zircônio no caso de reatores de potência, ou siliceto de urânio U3Si2 ou octóxido de urânio
U3O8 disperso em matriz (pó) de alumínio no caso de reatores de pesquisa e teste de materiais
(COLLECTION DU COMMISSARIAT À L’ÉNERGIE ATOMIQUE, 1999, p. 22 e 25).
.
FIGURA 3. Combustível tipo placa caramelo. Placas e montagem. França.
10
Na FIG. 4 é mostrada a simulação da montagem de placas combustíveis que foram soldadas nos
suportes de maneira semelhante à montagem francesa da (FIG. 3)
FIGURA 4. Miniplacas de combustível soldadas nos suportes. Simulação feita no CDTN –
Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear, Belo Horizonte.
A vista explodida de uma placa combustível é mostrada na FIG. 5. Várias destas placas
combustível são montadas em suportes como mostrado nas FIG. 3 e 4, formando elementos
combustíveis que serão superpostos em camadas no interior do vaso do reator protótipo do
LABGENE – Laboratório de Geração Núcleo Elétrica do CTMSP – Centro Tecnológico da
Marinha em São Paulo, mostrado na (FIG. 6). Na parte superior do vaso ficarão as barras de
controle, de maneira semelhante ao esquema da FIG. 4.
FIGURA 5. Vista explodida de uma placa combustível.
11
FIGURA 6. Vaso do reator do LABGENE/CTMSP.
O U.S.S. Nautilus foi o primeiro submarino movido a energia nuclear nos Estados Unidos. Seus
testes de desempenho no mar ocorreram em janeiro de 1955 (GLASSTONE SAMUEL,
SESONSKE ALEXANDER, 1967, p. 25 e 26).
Na FIG. 7, foto do submarino nuclear brasileiro (projeto e fabricação de responsabilidade do
CTMSP) cedida pelo CTMSP à Revista Isto é de 29/8/2007 e se encontra na página 48 da revista.
FIGURA 7. Submarino nuclear. CTMSP - Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo.
12
2.7 Atividades de pesquisa, desenvolvimento e fabricação de combustíveis nucleares
cerâmicos em forma de placa no CDTN/CNEN para reatores de potência
Na década de 1990 foi iniciado o programa de desenvolvimento de combustíveis nucleares tipo
placa contendo dispersão da cerâmica UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304 para utilização
em propulsão naval, em cooperação com os centros de pesquisa da Marinha do Brasil.
Em 2003 deu-se início à 3a fase de atividades no sentido de aprimorar o desenvolvimento do
combustível nuclear tipo placa utilizando não mais o pó de UO2 disperso ou misturado em pó de
aço inoxidável 304, que formando uma liga, que, após laminada, tinha pior distribuição
homogênea no cerne da placa combustível. Em substituição ao pó de UO2 foram adotadas
microesferas de UO2 com superfície específica Sg = 1 a 8 m2/g. Se uma microesfera é porosa e
contém vazios dentro dela, é dito que ela possui Sg > 0. Se uma microesfera é não porosa ela
possui Sg = 0. Do mesmo modo, se um aglomerado de microesferas é poroso, ou seja, contém
vazios entre as microesferas, é dito que ele possui Sg > 0. Caso não seja poroso ou possua
ausência destes vazios é dito ter Sg = 0. Microesferas de UO2, com tamanho da ordem de mícron
até 1 mm (No CDTN obteve-se microesferas de 170 µm, valor bem próximo de especificado de
150 µm ) são obtidas por um dos tipos de processos sol-gel. O tipo utilizado no CDTN consiste
primeiramente em misturar nitrato de uranila - ( ) OHOHNOUO 22232 6.. + -em água - OH 2 - , ou
seja, efetuar uma solução verdadeira que é a dissociação de íons Th ou U em água. A reação
química é ( ) =+ OHOHNOUO 22232 6.. OHNOUO 2322 62 ++ −+ . Ao segundo termo desta reação
introduz-se um agente “gelificante” hidróxido de amônio −+ +→ OHNHOHNH 44 para
neutralizar, formando então ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − . Neutralização parcial com solução
amoniacal que pode ser a quente ou a frio. O sol é uma sopa de íons +2UO mais partículas com o
composto ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − . Misturar o sol com PVA (álcool polivinílico), fuligem e
etanol. Desta mistura é que são formadas as microgotas. Dentro das microgotas existe OH 2 .
Passar microgotas na atmosfera de 3NH (amônia), assim, OHHNOHNH 423 =+ e precipita
( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − + PVA + fuligem. Este precipitado cai na solução amoniacal
OHNH 4 e continua reagindo até precipitar o composto ( ) 3222 .. yNHOxHOHUO − + PVA +
13
fuligem. A consistência deste precipitado é gelatinosa (gel). Estas são as microeferas gelatinosas
de 2UO . Cabe observar aqui que a palavra coloidal se refere a cola. Sol é uma dispersão coloidal
e gel é também uma dispersão coloidal. Em resumo, um dos tipos de processo sol-gel consite na
introdução de um agente “gelificante” (“gelifying”) no nitrato de uranila, sob certas condições. A
geleificação externa consiste na conversão de um sol em gel de geometria estável, devido a
distância média entre as partículas coloidais ser reduzida de tal modo que a tensão de superfície
fica maior que a repulsão eletrostática das partículas carregadas positivamente. Na geleificação
interna a carga eletrostática das partículas é neutralizada (FERRAZ et al, 2003, p. 13, 14, 15 e
16; FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24; GLASSTONE SAMUEL., SESONSKE ALEXANDER,
1967, P. 471, 472 e 476; INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES DE
SÃO PAULO – CENTRO DE COMBUSTÍVEL NUCLEAR. Disponível em:
<http://ipen.br/ccn/index.html>. Acesso em 01/11/2007; INTERNATIONAL ATOMIC
ENERGY AGENCY, 1961, p. 254, 255 e 321)
Ferraz et al (2003) relatam que após diversas bateladas de microsferas de UO2 serem calcinadas
em 600 0C e 1100 0C, foram adotados dois tipos de envelhecimento para estas bateladas: (1)
envelhecimento ao ar a 90º e (2) envelhecimento em autoclave a 225ºC. Após tal etapa, estas
microesferas foram misturadas ou dispersas em matriz (pó) de aço inoxidável 304 com um
carregamento de 37% em volume (45% em peso) de UO2. Na FIG. 8 (a) a (d) são apresentadas
as fotomicrografias, antes da laminação, do conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas
ao ar a 90 ºC. Em (a) e (b) pode-se ver que são microesferas irregulares, umas são esféricas e
outras não, e apresentam reentrâncias e trincas; Em (c) (aumento 1000X) e (d) (aumento 2000X)
vê-se que as microesferas têm baixa porosidade e, por isto, pode-se inferir alta densidade do
núcleo combustível.
Na FIG. 9 (a) a(d) são apresentadas as fotomicrografias, pós-laminação a quente (1200 ºC), do
conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas ao ar a 90 ºC. Em (a) e (b), (c) e (d) da FIG.
8 (antes da laminação) pode-se ver que as microesferas são quase do mesmo formato que A e B,
C e D da FIG. 9 (pós-laminação). Isto significa que a laminação quase não afetou o formato das
microesferas, que continuaram com baixa porosidade e densas como mostrado em C (aumento
1000X) e D (aumento 2000X) das duas figuras. A FIG. 8 é praticamente igual à (FIG. 9).
14
FIGURA 8. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC. Antes da
laminação.
FIGURA 9. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas ao ar a 90 ºC. Pós-
laminação.
Na FIG. 10 (a) a (d) são apresentadas as foto micrografias, antes da laminação, do conjunto
microesferas de UO2/aço inox envelhecidas em autoclave a 225 ºC. Em (a) e (b) da FIG. 10
(antes da laminação) vê-se que são microesferas regulares e quase todas de forma esférica. Em
(c) (aumento de 1000X) e (d) (aumento de 2000X) revela-se que estas microesferas possuem
porosidade heterogênea e, por isto, pode-se inferir a indesejável baixa densidade do núcleo
combustível. Na FIG. 11 (a) a (d) são apresentadas as fotomicrografias, pós-laminação a quente
1200 ºC, do conjunto microesferas de UO2/aço inox envelhecidas em autoclave a 225 ºC. Em (a)
e (b) da FIG. 11 (pós laminação) pode-se ver que as microesferas densas não são deformadas
ficando com o mesmo formato; em (c) e (d) da FIG. 11 (pós laminação) as microesferas porosas
15
apresentam leve estiramento deformando-se. A FIG. 10 (antes laminação) não é igual à FIG. 11
(pós-laminação).
FIGURA 10. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave a 225 ºC
antes da laminação.
FIGURA 11. Foto micrografias do formato de microesferas envelhecidas em autoclave a 225 ºC
pós laminação.
Nas foto micrografias das FIG. 8 a 11 são mostrados cernes ou núcleos de combustível onde foi
utilizada a dispersão de microesferas de UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304. Apenas para
efeito comparativo, trabalhos anteriores utilizaram pó de UO2 e não microesferas de UO2 na
composição do núcleo combustível. Na FIG. 12 é mostrada a liga pó de UO2/aço inox,
carregamento de 37% em volume (45% em peso) de pó de UO2, sinterizada, inserida na moldura
posteriormente revestida com duas placas e este conjunto laminado a quente 1200 ºC e também
laminado a frio para obter precisão nas medidas dimensionais. Observa-se que os núcleos das
16
mini-placas combustível (FIG 8 a 11) formados com microesferas de UO2 (mesmo com bateladas
de microesferas ovaladas pela laminação) possuem qualidade superior ao núcleo formado por pó
de UO2/pó de aço inox (FIG. 12).
FIGURA 12. (A) Foto micrografia do pó UO2 sinterizado (B) Cerne miniplaca combustível for-
mado pelo pó UO2 sinterizado (fase branca) disperso na matriz pó aço inox 304 (fase escura).
Em trabalhos posteriores (FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24), autoclavagem a 225 ºC, obteve
microesferas de UO2 de alta esfericidade e diâmetro médio de cerca de 170 μm, já bem próximo
do diâmetro especificado de 150 μm com densidade entre 90 e 95% da densidade teórica.
Deve-se considerar que UO2 não deve entrar em contato com o ar porque ele combina pronta-
mente com o oxigênio para formar um óxido mais alto, cuja composição depende da temperatura.
A oxidação reduz a condutividade térmica resultando na formação de gradientes de temperatura
com aquecimento localizado indevido. Como já mencionado, UO2 não reage com água, mesmo
quando se tem impurezas como carbono e sílica. Quanto ao revestimento de chapas de aço
inoxidável, há de se observar que os aços inoxidáveis austeníticos, como o aço AISI 304,
apresentam uma resistência à corrosão devido a formação de uma película protetora, película de
passivação, constituída principalmente por óxido de cromo. O íon cloreto (Cl-), se estiver contido
na água onde está inserido o aço inoxidável, é uma substância agressiva à integridade da película
protetora, destruindo-a em pontos localizados e provocando a formação de corrosão por pite que
pode resultar em perfurações e pontos de concentração de tensões, que reduzem a resistência
mecânica da liga metálica, podendo haver rompimento do revestimento. A formação de pites em
ligas ocorre em um potencial específico denominado potencial de pite, Epite, sendo este o valor de
17
potencial no qual a densidade de corrente tem um pronunciado aumento na faixa de passivação.
(FARIAS, C. T. T. et al, 2002; GLASSTONE S., SESONSKE A., 1967, p. 472 e 473).
2.8 Falhas no revestimento do combustível do reator de pesquisa IEA-R1 do IPEN
Como um exemplo, vale citar o caso do reator de pesquisa IEA-R1 do IPEN em São Paulo, SP,
que embora o revestimento não seja de aço inoxidável como os reatores de potência, apresentou
falha no revestimento de alumínio, sendo que no elemento combustível IEA-53 formaram-se
vários pites grandes de corrosão localizados ao longo do revestimento e na parte em contato com
a água, ocasionando vazamento irregular do produto de fissão 137Cs. Este vazamento foi
detectado, em 30 de julho de 2001, durante inspeção de rotina à potência de 2 MW, constatando-
se a liberação de gases de produtos na área do saguão da piscina do reator. Utilizou-se, então, o
teste de sipping, que é uma técnica não destrutiva para detecção do vazamento de produtos de
fissão gama emissores, com a finalidade de determinar a taxa média de vazamento dos produtos
de fissão para a água (TERREMOTO, L. A. A. et al, 2001)
2.9 Garantia da qualidade e testes não destrutivos de materiais
Ao mesmo tempo em que as máquinas e instrumentos se tornam cada vez mais sofisticados, a
qualidade de cada um dos seus componentes exerce um papel preponderante. Às vezes um
componente de pequeno valor pode falhar e levar ao colapso todo o maquinário, causando
prejuízos humanos e materiais. As razões para a falha de um componente estão incluídas em
aspectos de sua história que vão desde a concepção e desenvolvimento do projeto, com inclusão
de fatores de segurança compatíveis para suportar tensões normais de operação, até sua
fabricação, utilização e expectativa de vida que deve ser estabelecida através de testes e cálculos,
pois um componente, durante a sua vida em operação, está sujeito a desgastes por corrosão,
erosão e fadiga.
Portanto, a garantia da qualidade de um componente envolve as medidas necessárias para
estabelecer compromisso entre as demandas exigidas do componente e sua estrutura.
18
Procedimentos de testes não destrutivos estão entre estas medidas necessárias para garantir a
qualidade de componentes, resultando, primordialmente, em segurança para seres humanos. A
segurança das pessoas já é regulada por lei na maioria dos países. Estas leis devem ser obedecidas
pelo produtor ou operador sob pena de conseqüências legais e financeiras, além dos aspectos
morais envolvidos. É importante evitar reclamações oriundas de produtos danificados. O produtor
deve se prevenir contra tais ocorrências, instituindo a garantia da qualidade documentada para
que o produto saia da sua fábrica em perfeitas condições.
Por causa da responsabilidade por danos, mas também para propósitos estatísticos dentro da
empresa, é de bom senso registrar e documentar todos os testes. Em alguns casos, a
documentação escrita é uma exigência legal, como é o caso dos componentes para centrais
nucleares com a finalidade de se obter confiabilidade e rastreabilidade.
As razões para aplicação dos testes não destrutivos são: (1) confiabilidade do produto (2) evitar
acidentes (3) ajudar a projetar melhor o produto (4) manter qualidade uniforme. Uma visão geral
dos cinco métodos não destrutivos, mais comumente usados, apresenta processos, vantagens e
limitações de cada método. Nenhum método é a resposta final. Um método é o complemento do
outro.
2.9.1 Método de líquido penetrante
Processo: aplicação de um líquido, à base de óleo, à superfície do material de teste. Remoção,
secagem, revelação, inspeção.
Vantagem: uma grande variedade de materiais pode ser testada. Rápido, simples e relativamente
barato.
Limitação: detecção de falha superficial apenas. A superfície deve ser totalmente limpa.
2.9.2 Método de partícula magnética
Processo: magnetização da peça de teste e aplicação de partículas de óxido de ferro.
Vantagem: possível a detecção de falha superficial e subsuperficial.
Limitação: restrito a um grupo selecionado de materiais de teste (ferromagnéticos).
19
2.9.3 Método de radiografia
Processo: enviar radiação através de um objeto até um meio de registro tal como um filme.
Vantagem: registro visual da natureza interna do objeto de teste.
Limitação: dano de segurança. Caro.
2.9.4 Método de ultra-som
Processo: ondas sonoras de alta freqüência injetadas numa peça. O som se reflete nas falhas para
detectar a presença de um vazio (air gap).
Vantagem: é possível a detecção de falha subsuperficial.
Limitação: avaliação de falha pode ser difícil devido às variantes do equipamento de manuseio do
operador. Acoplante usado.
2.9.5 Método de correntes parasitas ou correntes induzidas
Processo: correntes elétricas induzidas são produzidas em materiais condutores expondo-se a
peça de teste a um campo magnético alternado.
Vantagem: detecção de falha superficial. Determinação de condutividade elétrica. Determinação
de permeabilidade magnética. Variações de massa e dimensão.
2.10 Teste não destrutivo por ultra-som
2.10.1 Introdução
Krautkrämer e Krautkrämer (1977, p. 2) relatam que a acústica é a ciência do som e que a mesma
é um fenômeno de vibrações mecânicas que se propagam em materiais sólidos, líquidos ou
gasosos. Portanto, o som não se propaga no vácuo porque quem vibra são as partículas da
matéria, em contraste, por exemplo, com a luz ou outras ondas eletromagnéticas, como os Raios-
X, onde o estado elétrico ou magnético do espaço oscila. Uma onda sonora pode fazer vibrar um
volume discreto de ar para trás e para frente em torno de sua posição neutra, ao passo que uma
20
onda de luz não tem influência no estado de repouso ou movimento deste volume discreto de ar.
Estas vibrações mecânicas podem, então, fazer vibrar ou movimentar as partículas da matéria de
modo regular, periódico e por um determinado tempo e, por isto, são caracterizadas em ciclos por
segundo ou freqüência em hertz e velocidade de propagação. Um hertz corresponde a um ciclo
por segundo. Entende-se por ciclo o movimento completo de ida e volta da partícula nos dois
sentidos retornando ao seu ponto de origem. O som ou vibração com freqüência abaixo de
aproximadamente 10 Hz e acima de aproximadamente 15000 a 20000 hertz ou ciclos por
segundo não é detectado pelo ouvido humano. O som acima de 20000 Hz, inaudível ao ouvido
humano, é chamado de ultra-som, assim como a luz em freqüências maiores, invisíveis ao olho
humano, é chamada ultravioleta. Ultra-sons acima de 100.000 Hz (100 kHz) até 10.000.000 Hz
(10 MHz) são gerados por rebolos de esmeril afiando peças e, também, por assobios de vapor.
Felizmente os ouvidos humanos não podem captar estas freqüências. As ondas ultra-sonoras
foram utilizadas por Sokolov em 1929, e tinham sua intensidade reduzida quando retornavam de
regiões defeituosas. Firestone, em 1942, foi o primeiro a aplicar ultra-som para testar materiais.
Após 1945, o método de ultra-som tornou-se uma ferramenta prática como teste não destrutivo de
materiais. (Apenas para acrescentar, adultos com audição normal podem ouvir notas musicais de
freqüências superiores a 16 kHz), que correspondem, no piano, a cerca de seis oitavas acima do
dó central (GENERAL DYNAMICS, 1967, p.2-5)
2.10.2 Geração de onda ultra-sonora e piezeletricidade
American Society for Nondestructive Testing (1991, seção 8, part 9, p. 258), General Dynamics
(1967), Krautkrämer e Krautkrämer (1977) e Magnaflux Corporation (1980) descrevem que, no
teste não destrutivo por ultra som, um pulso curto de corrente elétrica incide é aplicado a um
transdutor (cristal) fazendo-o vibrar. O feixe sonoro produzido no transdutor atravessa um
acoplante que pode ser água, óleo, metil celulose, etc. e se dirige para penetrar na peça de teste.
Para haver uma boa transmissão sonora do transdutor para a peça de teste, é necessária a
colocação do acoplante para eliminar a camada de ar entre eles. Na prática, um transmissor aplica
pulsos elétricos a um cristal “piezoelétrico”. O prefixo “piezo” é um termo grego que significa
“pressão” e, assim piezelétrico significa pressão elétrica. O cristal transforma a energia elétrica
em energia mecânica de vibrações que, passando através do acoplante, penetram no interior da
21
peça de teste. Considera-se a peça de teste como sendo formada por pequenas partículas,
interligadas elasticamente por molas como mostrado na FIG.13, que oscilam em torno do ponto
de equilíbrio transmitindo as vibrações de forma senoidal (FIG. 14).
FIGURA 13. Modelo de um corpo elástico.
FIGURA 14. Oscilação senoidal de uma mola carregada.
A velocidade de propagação das vibrações depende, entre outros fatores, da densidade e
elasticidade do material. Os pulsos de vibração chocam-se com o fundo da peça de teste ou outro
obstáculo (descontinuidade ou vazio) no seu interior, sendo refletidos de volta para o cristal
ocasionando novamente sua vibração (energia mecânica) que é transformada, pelo efeito
piezelétrico do cristal, em energia elétrica. Na FIG. 15 é mostrado um diagrama de bloco típico
do sistema ultra-sônico pulso eco.
22
FIGURA 15. Diagrama típico de um sistema ultra-sônico pulso-eco.
2.10.2.1 Zona morta, zero elétrico, zero acústico e bloco amortecedor
O ideal seria que o transdutor (cristal) emitisse uma vibração e parasse de vibrar esperando que a
vibração refletida de volta o fizesse vibrar novamente. Mas isto não acontece, pois o cristal
continua a vibrar e a vibração é mantida ainda pelos pulsos elétricos, emitidos pelo equipamento
numa determinada taxa. Assim, a vibração refletida de volta encontra com a vibração transmitida
gerando uma zona morta. Esta zona morta (zero elétrico mais zero acústico), juntamente com o
eco proveniente da superfície, fica inserida no eco inicial que aparece no lado esquerdo da tela,
como mostrado na FIG. 15, onde também é mostrado o pequeno eco proveniente da
descontinuidade e o eco de fundo. Portanto, fazem parte do eco inicial : (1) zero elétrico; (2) zero
acústico (3) eco da superfície.
23
Um bloco amortecedor (backing), à base de borracha vulcanizada e outros componentes, é
colocado na parte posterior do cristal para atenuar suas vibrações reduzindo os efeitos acima
expostos. Assim um cristal, no tempo total, vibra ou emite apenas 5% do tempo e recebe as
vibrações refletidas de volta em 95% do tempo. (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR
DIVISION, 1967, p. 6-3; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item
9; MAGNAFLUX CORPORATION – TRAINING DEPARTMENT, 1980)
2.10.2.2 Características construtivas de cabeçotes de ultra som
Nas FIG 16 e 17 são apresentadas as características construtivas dos cabeçotes normal de
imersão, angular de contato e normal de contato, onde pode ser visto o bloco amortecedor
posicionado atrás do cristal.
FIGURA 16. Características construtivas de cabeçote normal (imersão) e angular (contato).
FIGURA 17. Características construtivas de cabeçote normal para teste manual por contato.
24
Cabeçotes fabricados com a mesma especificação podem parecer iguais, mas, usualmente,
possuem características individuais. Podem existir falhas de construção do cabeçote tais como
variações no corte do cristal, deficiências na colagem do cristal, inclinação do cristal, lentes e
bloco amortecedor e desalinhamento das peças durante a montagem. Por causa disto, o feixe
sonoro pode sofrer anomalias tais como: deflexão angular (δ) ou deslocamento paralelo Z ou
deslocamento do ponto de saída ZA como mostrado na (FIG.18). Torna-se então necessário a
obtenção do traçado do perfil do feixe sonoro para detecções e avaliações confiáveis de
descontinuidades em componentes e estruturas. (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR
DIVISION, 1967, p. 6-3; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item
9).
FIGURA 18. Anomalias do feixe sonoro.
2.10.3 Obtenção do perfil do feixe sonoro por método ótico. Princípio de Huygens
A obtenção do perfil do feixe sonoro é necessária por duas razões: (1) Verificação das anomalias
no feixe sonoro devido a defeitos na fabricação do cabeçote, tais como, deslocamentos lineares e
angulares do eixo acústico como mostrado na FIG. 18; (2) O traçado real do feixe e as respostas
no equipamento permitem visualização geométrica mais satisfatória da posição das
descontinuidades dentro do feixe sonoro, possibilitando a obtenção de maiores informações sobre
as mesmas. As considerações e os procedimentos para obtenção do perfil do feixe sonoro de
cabeçotes de imersão utilizando método não ótico constam no item 3.6 da metodologia.
25
Ao longo e nas laterais do feixe sonoro a pressão sonora diminui à medida que se distancia do
cristal do cabeçote. A pressão sonora é detectada devido à variação local da densidade do
material ocasionada pela passagem da onda sonora. A pressão sonora é geralmente fornecida em
unidades pascal (Pa = 1 N/m2 = 0,102 kgf/m2). O método ótico mais comum para obtenção da
imagem do feixe ultra-sônico é o método Schilieren, que se baseia na variação da densidade da
água devido a pressão no feixe ultra-sônico se propagando através dela. A luz paralela (índice de
refração n = c/v, sendo c = velocidade da luz no vácuo ; v = velocidade da luz na água), passando
através desta zona perturbada, se refratará, produzindo lobo central e lobos laterais que serão
fotografados pelo método Schilieren. Na FIG. 19 é mostrada a montagem típica do método
Schilieren para visualização do feixe sonoro e na FIG. 20 mostra-se a fotografia instantânea do
formato do feixe sonoro, obtida pelo método Osterhammel, em frente a um oscilador (cristal)
com D = 6,7 λ, sendo D o diâmetro do cristal e λ o comprimento de onda da onda ultra -sônica.
Hecht (1998, p. 616) observa que a palavra schilieren, em alemão, significa estria, raia, lista,
camada.
FIGURA 19. Montagem típica do método Schilieren.
26
FIGURA 20. Esquerda: estrutura de interferência de campo sonoro. Princípio de Huygens.
Direita: campo sonoro de um oscilador (cristal) com D/λ = 6,7. Zonas claras: alta pressão sonora.
Zonas escuras: baixa pressão sonora.
Hecht (1998, p. 104 e 452) comenta que o Princípio de Huygens é o princípio segundo o qual
uma onda propaga como se a frente de onda fosse composta de um arranjo de fontes pontuais,
cada uma emitindo uma onda esférica como mostrado na FIG. 21. Nesta figura também é
apresentada uma vista da frente de onda Σ’ que viaja como um número de wavelets secundárias
esféricas, que após um tempo t, esferiza-se a partir de um raio r = 0(zero) até uma distância ou
raio r = vt. O resultado é uma frente de onda Σ’ plana (envelope das wavelets) mostrada na FIG.
22. Este processo é fácil de visualizar, tanto para a luz como para o som, em termos de vibrações
mecânicas de um meio elástico. Se o meio é homogêneo, as wavelets podem ser construídas
com raios finitos. Se não é homogêneo as wavelets possuem raios infinitesimais. Huygens assim
justificou o seu princípio:
Nós temos que considerar, ao estudar o espalhamento destas ondas, que cada
partícula de matéria da qual a onda provém não apenas comunica seu movimento
à partícula seguinte a ela, que está em linha reta a partir do ponto luminoso, mas
ela também fornece necessariamente um movimento a todas as outras partículas
que a tocam e se opõem ao seu movimento. O resultado é que ao redor de cada
partícula, neste ponto, surge uma onda da qual esta partícula é o centro (HECHT,
1998, p. 104 ).
27
FIGURA 21. Princípio de Huygens. Cada fonte pontual emite uma onda esférica (wavelet).
FIGURA 22. Resultante é onda plana.
2.10.3.1 Experimento com alvo de esfera: onda plana incidente e onda esférica
refletida pela superfície de uma esfera
Mansour (1979, p. 52) apresenta um experimento, FIG. 23, mostrando que a frente de onda
emitida pelo cristal do cabeçote é onda plana (Princípio de Huyghens) que incide na superfície de
uma esfera, refletindo em várias direções, retornando ao cabeçote como onda esférica. O restante
desta frente de onda esférica é perdida por interferência destrutiva no momento em que ela
intercepta a superfície do cabeçote em 180º de mudança de fase por meio comprimento de onda
28
(λ/2). O segmento X na área do cristal varia de acordo com a distância h cabeçote/esfera e o
comprimento de onda λ do som na água.
FIGURA 23. Onda plana ultra-sônica incidindo na superfície de uma esfera de aço e retornando
ao cristal do cabeçote como onda esférica.
Aplicando o teorema de Pitágoras no triângulo retângulo da FIG. 23 tem-se:
( ) ( ) 222 5,05,0 hXh +=+ λ (3)
( )24 λλ += hX (4)
Exemplo: Cabeçote D=1/2” (12,70 mm) 10 MHz → λ = 1,48 km/s (água)
4 MHz
= 0,37 mm
Se h =15,20 mm, tem-se: X = 4,75 mm nos 12,70 mm de diâmetro de cristal.
Se h =10 mm, tem-se X = 3,86 mm nos 12,70 mm de diâmetro de cristal.
Quanto mais se aproxima o alvo do cabeçote, menor é o valor de X.
29
2.10.4 Difração
Hecht (1998, p. 434) demonstra, FIG. 24, que frentes de ondas planas de diversos comprimentos
de onda passando através de uma abertura com largura AB, se difratam, e saem como ondas
esféricas também de comprimentos de onda diferentes. A distância entre estrias vizinhas é o
comprimento de onda. Na FIG. 24(a) → λ < AB; em 24(b) → λ = AB; em 24(c) → λ > AB.
Isto é semelhante às ondas esféricas formadas num tanque de água quando, por exemplo, se joga
uma pedra na água.
FIGURA 24. Difração em aberturas.
As frentes de ondas ultra-sônicas planas também difratam na ponta de uma trinca retornando ao
cristal do cabeçote como ondas esféricas com o formato mostrado na (FIG. 24). A técnica da
difração sonora pode ser usada, por exemplo, na detecção e avaliação de trincas por fadiga, e
30
também em vasos de pressão, tais como o vaso do reator da LABGENE/CTMSP, com a
finalidade de detectar e dimensionar descontinuidades que surgem abaixo do revestimento
interno, de aço inoxidável, da parede do vaso, ocasionadas pelo choque térmico pressurizado
(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 584;
GOMES, V. T. P., 2005)
2.10.5 Princípios do teste ultra-sônico de materiais
2.10.5.1 Onda longitudinal e onda transversal
Krautkämer J. e Krautkämer H. (1977, p. 8 e 9) descrevem que as partículas do meio estão
interligadas elasticamente e oscilam de maneira senoidal em torno de seu ponto de equilíbrio,
considerando que tal corpo não sofre esforços de compressão ou tração além de seu limite
elástico. Provoca-se, no primeiro plano, a oscilação das partículas do lado esquerdo do corpo
elástico na FIG. 13 com a mesma freqüência (número de oscilações por segundo) e a mesma
amplitude (largura de oscilação). As forças elásticas transmitem as oscilações para as partículas
no segundo plano e assim para o terceiro plano, etc. Se as partículas não fossem interligadas por
molas e sim, por hastes rígidas, todos os planos de partículas iniciariam seu movimento no
mesmo tempo e permaneceriam constantes neste estado de movimento, isto é, os planos de
partículas estariam na mesma fase. No material elástico isto não acontece, pois a transmissão do
movimento de um plano de partículas para outro demanda certo tempo ou não se faz no mesmo
tempo, há certo atraso, isto é, os planos de partículas não estão em fase. Este efeito está ilustrado
na FIG.25 onde é representada a propagação de uma onda longitudinal no modelo de corpo
elástico da FIG. 13, no qual as partículas passam a vibrar em torno de seu ponto de repouso na
mesma direção de propagação da onda e os planos de partículas, por não iniciarem seus
movimentos ao mesmo tempo, formam zonas de compressão e zonas de dilatação (rarefação) por
não estarem em fase. A distância entre duas zonas de compressão ou duas zonas de rarefação é o
comprimento de onda λ. Nas zonas de compressão (maior densidade de partículas) existe maior
pressão sonora do que nas zonas dilatadas de rarefação. As ondas longitudinais se propagam em
sólidos, líquidos e gases, por isto, é que somente as ondas longitudinais é que chegam ao ouvido
humano ao se propagarem no ar. As ondas transversais ou cisalhantes, mostradas na FIG. 26,
31
ocorrem apenas em corpos sólidos. As partículas do modelo de corpo elástico da FIG. 13 são
incitadas, por uma força cisalhante (força por unidade de superfície, mas paralela à superfície, ao
contrário da pressão das ondas longitudinais, que é a força em ângulo reto com a superfície), a
vibrarem senoidalmente para baixo e para cima em torno de seu ponto de repouso, na direção
perpendicular à direção do movimento, que é da esquerda para a direita. O comprimento de onda
λ é determinado pela distância entre dois planos nos quais as partículas estão em estados
similares, ou seja, distância entre dois vales ou entre duas cristas.
FIGURA 25. Onda longitudinal
FIGURA 26. Onda transversal
A onda longitudinal é emitida por cabeçotes normais, ou seja, que emitem o feixe sonoro
perpendicularmente à superfície da peça examinada, ou em ângulo de º0 com relação á reta
normal (perpendicular) à superfície. Os cabeçotes que contêm transdutores (cristais) inclinados,
emitem ondas sonoras longitudinais (que estão dentro da sapata plástica) em ângulo diferente de
32
zero com a reta normal (perpendicular) à superfície da peça de teste. Estas ondas longitudinais, ao
penetrarem em ângulo na superfície da peça examinada, se refratam (modificam sua direção ao
penetrarem na peça examinada) e modificam seu modo de vibração de longitudinal para
transversal (conversão de modo). Estes cabeçotes são conhecidos como cabeçotes angulares.
Aumentando a inclinação do cristal dos cabeçotes angulares, através de sapatas plásticas, ou
mesmo durante a sua própria construção, eles passam a ser emissores de ondas superficiais. Nas
FIG. 27 e 28 são ilustrados estes fatos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967,
p. 2-17, 2-18 e 2-19)
FIGURA 27. Onda longitudinal e transversal no interior da peça de teste.
FIGURA 28. Conversão de modo: modo longitudinal na sapata plástica para modo transversal e
modo superficial na peça de teste.
33
2.10.5.2 Refração, conversão de modo e lei de Snell
A luz se refrata, ou seja, modifica sua direção ao passar de um meio a outro. O índice de refração
é n = c/v, sendo c = velocidade da luz no vácuo; v = velocidade da luz no meio considerado.
Assim também é o comportamento do som que sofre refração e conversão do modo de vibração
ao passar, com um ângulo diferente de zero em relação à normal à superfície, de um meio para o
outro. Este comportamento pode ser observado na FIG. 29, onde é mostrado um cabeçote de
imersão emitindo feixe sonoro longitudinal passando através da água (acoplante) e incidindo
perpendicularmente à superfície de um bloco de aço. Observa-se que não há qualquer conversão
de modo de vibração do feixe sonoro (longitudinal na água e longitudinal no interior do bloco de
aço) e nem refração, ou seja, modificação na direção do feixe sonoro ao penetrar o bloco de aço.
Já na FIG. 30, o cabeçote é inclinado 5 º com relação à reta normal (perpendicular) à superfície
do bloco. Neste caso, o feixe sonoro longitudinal incidente sofre refração e no interior do bloco
de aço são produzidos dois feixes sonoros refratados: um longitudinal e o outro transversal. O
cálculo dos ângulos de refração é feito pela lei de Snell:
2
1
2
1
VV
SenSen
=φφ (5)
sendo:
1φ = ângulo do feixe incidente (no interior da água ou sapata plástica) com a normal à superfície
da peça sob teste (neste caso particular 5º).
2φ = ângulo do feixe refratado (longitudinal ou transversal) no interior da peça sob teste.
1V = velocidade das vibrações sonoras incidentes no interior da sapata plástica ou da água.
2V = velocidade das vibrações sonoras (longitudinais ou transversais) dentro da peça sob teste
Considerando-se as velocidades de propagação do som na água ( V1L(água) = 1480 m/s) e no aço
(V2L(aço)= 5920m/s e V2T(aço) = 3250 m/s), os ângulos de refração )(2 açoLφ e )(2 açoTφ são,
respectivamente, 20º e 11º, sendo:
V1L(água) = velocidade longitudinal do som na água.
34
V2L(aço) = velocidade longitudinal do som no aço.
V2T(aço) = velocidade transversal do som no aço.
FIGURA 29. Feixe incidente normal.
FIGURA 30. Feixe incidente 5º.
2.10.5.3 1º ângulo crítico
A velocidade da onda transversal, em um dado material, é cerca de metade da velocidade da onda
longitudinal. Por isto a onda longitudinal, sendo mais rápida, afasta-se mais da normal do que a
onda transversal dentro do material examinado. Existem testes específicos onde há a necessidade
de se manter as duas ondas no interior da peça, como no caso de detecção de descontinuidades
sob o revestimento interno de aço inoxidável do vaso do reator. Estas descontinuidades podem
35
também ser geradas pelo choque térmico pressurizado, como já mencionado no item 2.14.3. No
caso do teste de imersão em tela, para que exista apenas a onda transversal dentro do material, é
preciso conhecer o valor do ângulo de incidência 1φ (1º ângulo crítico – onda longitudinal
incidente na água) para que L2φ = 90º, ou seja, a onda longitudinal tangencie a superfície do
material. Para a situação apresentada na FIG. 31, aplicando-se a lei de Snell e considerando-se
2φ = 90º, obtém-se um valor de 15º para 1φ e 34º para T2φ .
FIGURA 31. 1º ângulo crítico.
2.10.5.4 2º ângulo crítico
O segundo ângulo crítico corresponde ao ângulo de incidência para o qual a onda transversal no
material sob teste tangencie a superfície do mesmo. Para situação apresentada na FIG. 32,
considerando-se T2φ = 90º e aplicando-se a lei de Snell, obtém-se o valor de 27º para 1φ . A onda
transversal, neste caso, é denominada onda superficial ou onda Rayleigh. Analogamente, no teste
por contato, efetuado com cabeçote angular, esta onda produzida no segundo ângulo crítico é
também denominada onda superficial ou Rayleigh.
36
FIGURA 32. 2º ângulo crítico.
2.10.5.5 Cabeçotes angulares de contato
Os cabeçotes angulares de contato são construídos de tal maneira que apenas a onda transversal
permaneça dentro do material testado. Eles são normalmente construídos de forma que os
ângulos de refração do feixe sonoro T2φ sejam 45º, 60º e 70º (mais usados e indicados nas
carcaças dos cabeçotes) quando o material sendo testado é o aço e, utilizando a lei de Snell,
correspondem, respectivamente, aos ângulos de incidência fixos 1φ =36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ =
52,12º do feixe sonoro longitudinal incidente percorrendo o interior das sapatas plásticas dos
cabeçotes angulares inclinadas nestes ângulos
Caso o material de teste seja outro, como o alumínio no qual as ondas sonoras longitudinais e
transversais se propagam, respectivamente, com velocidades de 6320 m/s e 3130 m/s que são
diferentes das velocidades no aço, já não vale os ângulos marcados na carcaça dos cabeçotes. Há
de se calcular os novos ângulos de refração T2φ para alumínio através da lei de Snell,
considerando os ângulos fixos 1φ =36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ = 52,12º do feixe incidente longitudinal
com a normal à peça de teste dentro das sapatas plásticas dos cabeçotes. Na FIG. 33 é mostrado o
teste ultra-sônico por contato, numa peça de aço, utilizando cabeçote angular.
37
FIGURA 33. Teste ultra-sônico com cabeçote angular.
No caso dos cabeçotes angulares, comercializados rotineiramente, o 1º ângulo crítico 1φ é 27º 9’
e o 2º ângulo crítico 1φ é 55º 45’. Observa-se que os valores dos três ângulos de incidência 1φ =
36,43º, 1φ = 46,67º e 1φ = 52,12º estão situados entre os valores do 1º e 2º ângulos críticos,
indicando que tais cabeçotes são construídos de tal maneira que a onda-L seja refletida totalmente
para fora da peça teste (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-20 a 2-
24).
2.10.5.6 Ondas Rayleigh ou superficiais
Elas foram estudadas por Lord Rayleigh (1875) porque elas são o principal componente de
distúrbio num terremoto numa distância a partir do centro do mesmo. As ondas Rayleigh ou
superficiais, como mostrado nas FIG. 28, 32, 34 e 35, viajam sobre a superfície de um sólido,
chocam-se com bordas de peças, acompanham superfícies arredondadas e quando encontram um
obstáculo, tal como uma descontinuidade ou trinca superficial, são refletidas de volta ao
cabeçote. Elas também viajam em torno de um cilindro. Ondas Rayleigh são praticamente
absorvidas quando se coloca um dedo sobre a superfície da peça impedindo o seu caminho. Por
38
isto, a superfície da peça sob teste deve ser limpa e possuir baixa rugosidade. Numa profundidade
maior abaixo da superfície a amplitude da oscilação decresce rapidamente, registrando-se o fato
que numa profundidade de aproximadamente um comprimento de onda λ as partículas já estão
praticamente em repouso. As ondas Rayleigh são também chamadas de ondas superficiais,
quando a profundidade de penetração é menor ou igual a um comprimento de onda λ. Como as
ondas Rayleigh são geradas no 2º ângulo crítico, elas são semelhantes às ondas transversais no
seu modo de vibração. Para as ondas transversais, FIG 26, as partículas do meio elástico no qual
as ondas se propagam vibram, seguindo um movimento reto, para baixo e para cima em torno de
seu ponto de repouso, na direção perpendicular à direção de propagação. Nas ondas Rayleigh as
partículas vibram também para baixo e para cima, porém, seguindo um movimento elíptico como
mostrado nas FIG. 34 e 35. A velocidade de propagação das ondas Rayleigh é cerca de 90% da
velocidade de propagação das ondas transversais
FIGURA 34. Ondas Rayleigh ou ondas superficiais.
FIGURA 35. Onda superficial ou Rayleigh no aço. Oscilação elíptica e sentido de rotação.
39
Como observado na FIG. 32, no teste por imersão se produz uma onda superficial no 2º ângulo
crítico ( 01 27=φ ). O meio líquido amortece muito a produção de ondas superficiais ou ondas
Rayleigh. Apesar disto, ondas superficiais têm sido produzidas em testes experimentais na
superfície de peças de teste submersas. Estes experimentos podem possibilitar a detecção de falha
na ligação (bonding failure) metal-metal. No caso do teste com cabeçote angular por contato,
com sapata de plexiglass, no 2º ângulo crítico 1φ = 55º 45’, com a peça de teste colocada no ar, as
ondas superficiais Rayleigh são produzidas. O uso destas técnicas de ondas superficiais,
juntamente com técnicas de difração sonora, podem ser pesquisadas, além da pesquisa de
detecção de falha na ligação (bonding failure) metal-metal, com a finalidade de detecção,
dimensionamento e avaliação de trincas de fadiga e descontinuidades abaixo do revestimento
interno de vasos de pressão ocasionados por choque térmico pressurizado (AMERICAN
SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 274, 275 e 584;
GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-28 a 2-30; GOMES, V. T. P.,
2005; KRAUTKRÄMER, J., KRAUTKRÄMER, H., 1977, p.10).
2.10.5.7 Ondas de placa ou Lamb
As ondas Lamb foram estudadas mais recentemente, em 1916, por Horace Lamb, ao passo que
as ondas Rayleigh foram estudadas por Lorde Rayleigh em 1875. As ondas Rayleigh são ondas
transversais superficiais produzidas por cabeçote angular, emissor de ondas transversais, no 2º
ângulo crítico. As ondas Lamb são produzidas por cabeçote normal inclinado num determinado
ângulo de incidência e com uma determinada freqüência e velocidade, gerando ondas
longitudinais em folhas finas com espessura de um comprimento de onda λ. Portanto, as ondas
lamb só são produzidas em folhas finas com espessura de cerca de um comprimento de onda.
Inclinando o cabeçote normal para que emita feixe sonoro longitudinal num determinado ângulo
de incidência φ em relação à normal à superfície da folha fina de determinado material, onde se
sabe que o som se propaga numa velocidade longitudinal LV , a velocidade de fase PV pode ser
calculada pela equação:
φSenVV L
P = (6)
40
O conceito de velocidade de fase já foi abordado no item 2.9.5.1 – onda longitudinal e onda
transversal – e leva em consideração que os planos de partículas, interligados elasticamente, não
iniciam seu movimento ao mesmo tempo quando um corpo elástico é excitado para vibrar. O
primeiro plano de partículas começa a vibrar e transmite seu movimento para o plano seguinte e
este para o posterior. Assim, o plano posterior começa a vibrar depois, e por isto diz-se que ele
está atrasado para vibrar ou está fora de fase com os planos anteriores. Quanto mais atrasado
para começar a vibrar ele está, menor a velocidade de fase PV .
As partículas do corpo elástico, no caso das ondas Lamb, vibram em torno de seu ponto de
repouso de dois modos básicos, classificados como simétrico ou onda dilatacional e assimétrico
ou onda de dobramento como mostrado nas FIG. 36 e 37. Observa-se, por estas figuras, que a
onda de placa ou Lamb sempre contém componentes de oscilação das partículas em ângulos retos
com a superfície. No caso do modo simétrico ou dilatacional, as partículas da zona do meio (fibra
neutra) vibram longitudinalmente. No modo assimétrico ou dobramento as partículas da zona do
meio (fibra neutra) vibram transversalmente. As partículas da periferia oscilam elipticamente em
ambos os modos. Além dos dois modos básicos, uma infinidade de modos de vibração pode ser
produzida numa dada placa fina. Cada modo de vibração (simétrico ou assimétrico) se propaga
com uma velocidade de fase PV que depende da espessura da placa e da freqüência da onda
longitudinal incidente emitida pelo cabeçote normal. A velocidade de fase PV varia de infinito
até a velocidade das ondas Rayleigh que são aproximadamente iguais a 0,90 TV , sendo TV a
velocidade das ondas transversais.
41
FIGURA 36. Ondas Lamb simétricas (dilatacional) e assimétricas (dobramento).
FIGURA 37. Ondas Lamb ou de placa em alumínio. Em cima: modo simétrico ou dilatacional.
Em baixo: modo assimétrico ou dobramento.
A literatura pesquisada não explica como identificar se o modo de vibração que está ocorrendo
sob um determinado ângulo de incidência φ de onda longitudinal é simétrico ou assimétrico.
Apenas, para determinados ângulos de incidência φ pode-se calcular a velocidade de fase PV
pela equação (6) conhecendo-se a velocidade LV da onda sonora no material sob teste. A TAB. 2
indica os modos de vibração das partículas (simétrico e assimétrico) correspondentes a cada
velocidade de fase PV das ondas Lamb. A velocidade PV é calculada pela equação (6) para
diversos valores de ângulos de incidência φ de ondas longitudinais emitidas pelo cabeçote
42
normal de 5 MHz sobre a placa de alumínio de 1.30 mm de espessura. Os valores destes ângulos
estão estabelecidos na 1ª coluna da tabela.
As ondas Lamb são aplicadas na detecção de descontinuidades subsuperficiais. Os primeiros
modos de vibração (1º e 2º simétricos e assimétricos na TAB. 2) possuem velocidade de fase
menor e não revelam descontinuidades subsuperficiais, porque sua energia fica contida próxima à
superfície, de maneira análoga às ondas Rayleigh. Modos de vibração (3º e 4º simétricos e
assimétricos na TAB. 2) possuem velocidades de fase mais altas e próximas da velocidade
longitudinal de 6320 m/s no alumínio. Onde se deseja que a energia percorra distâncias maiores
ao longo da placa ou onde se requer detecção de descontinuidades subsuperficiais, os modos com
LP VV ≅ (velocidade de fase aproximadamente igual à velocidade longitudinal) são utilizados.
Estes modos com LP VV ≅ são aplicados, na prática, em testes de imersão para detecção de
descontinuidades internas em tubos de parede fina e placas ou determinações de tamanho de grão
e testes de soldas de topo em placas e tubos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,
1967, p. 2-29 a 2-31; KRAUTKRÄMER, J., KRAUTKRÄMER, H., 1977, p.11 e 12).
TABELA 2. Ângulos incidentes de feixe sonoro longitudinal de 5 MHz, velocidades de fase e
modos de vibração de ondas Lamb produzidos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR
DIVISION, 1967, P. 2-31)
Angulo de incidência φ Velocidade de fase PV Modo de vibração produzido
33,0º
31,0º
25,6º
19,6º
14,7º
12,6º
7.8º
2,67 km/s
2,79 lm/s
3,35 km/s
4,32 km/s
5,72 km/s
6,60 km/s
10,67 km/s
1º assimétrico
1º simétrico
2º assimétrico
2º simétrico
3º assimétrico
3º simétrico
4º simétrico
43
2.10.5.8 Zona morta, zona próxima e zona remota. Ângulo de divergência
Conforme apresentado no item 2.10.3, ao longo e nas laterais (divergência) do feixe sonoro a
pressão sonora diminui à medida que se distancia do cristal do cabeçote. A pressão sonora,
geralmente fornecida em unidades pascal, é detectada devido à variação local da densidade do
material ocasionada pela passagem da onda sonora. Na FIG. 38 são mostradas as três principais
zonas que compõem um feixe ultra- sonoro: a zona morta, a zona próxima e a zona remota. A
zona morta já foi descrita no item 2.10.2.1. O comprimento ou a profundidade da zona morta é
determinada pelo comprimento do pulso emitido pelo cristal do cabeçote. Os diagramas,
fornecidos pelos fabricantes, mostrando os formatos dos feixes sonoros de cabeçotes, indicam
também o comprimento da zona morta. A zona próxima ou campo próximo é uma região de altas
e baixas intensidades sonoras. Após certa distância N (comprimento do campo próximo), o feixe
sonoro diverge ou espalha e tem-se a chamada região remota ou campo remoto. Este efeito,
analogamente à ótica, é chamado de difração Fraunhofer, devido ao fato que o feixe sonoro,
proveniente do cristal, converge para uma “abertura” ou “diversas aberturas” na largura do final
do campo próximo, e aí sofre difração. Assim, a frente de onda plana dentro do campo próximo
(Princípio de Huygens) se difrata na “abertura” e emerge como onda esférica. Como são
“diversas aberturas” na largura do campo próximo, as ondas esféricas ou wavelets, ao saírem das
“aberturas” interferem umas com as outras, resultando novamente numa frente de onda plana.
Assim, no teste de ultra-som, as frentes de onda resultantes emitidas pelo cristal são planas. As
equações (8) e (9) aplicam–se à determinação dos ângulos de divergência 6γ e 20γ , na FIG. 38,
para cristais circulares que fazem parte da maioria dos cabeçotes normais.
effDSen λγ 5,06 ≈ (8)
effDSen λγ 87,020 ≈ (9)
fc
=λ (10)
44
sendo:
effD = diâmetro efetivo do cristal (mm) calculado pela fórmula (13) abaixo
λ = comprimento de onda (mm)
f = freqüência do eco (MHz)
c = velocidade do som na peça de teste (km/s)
Na FIG. 39 é mostrado o perfil do feixe sonoro com a localização do comprimento N do campo
próximo e suas regiões de altas e baixas pressões sonoras. No gráfico da FIG. 40 ilustra-se
também um exemplo de altas e baixas pressões sonoras ocorrendo na região do comprimento N
do campo próximo. Na FIG. 41 é mostrado que, conforme a largura da peça examinada, o feixe
sonoro longitudinal ou uma porção do mesmo, divergindo, incide nas paredes laterais da peça e é
refletido, não retornando diretamente para o cabeçote. Neste ponto, o feixe sonoro sofre
conversão do modo de vibração longitudinal de suas partículas para modo transversal ou
cisalhante e retorna ao modo longitudinal. Estes ecos de indicações de modo de conversão, como
percorrem um caminho mais longo e a velocidade das ondas transversais é cerca de metade da
velocidade das ondas longitudinais, aparecem na tela do equipamento após o primeiro eco ou
reflexão de fundo. Analogamente à lei de Snell para refração, equação (5) acima, usa-se a lei de
Snell para reflexão, equação (11), de acordo com a regra que o ângulo de incidência é igual ao
ângulo de reflexão. Há de se observar que TL φφ 2≈ devido a velocidade das ondas longitudinais
serem aproximadamente duas vezes a velocidade das ondas transversais (GENERAL
DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-35 a 2-37; HECHT, 1998, p. 104, 434, 437 e
452; (KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979; KRAUTKRÄMER, J.,
KRAUTKRÄMER, H., 1977, p. 63 e 65)
T
L
T
L
VV
SenSen
=φφ (11)
sendo:
Lφ = ângulo de incidência do feixe sonoro longitudinal
45
Tφ = ângulo de reflexão do feixe sonoro transversal
LV = velocidade do feixe sonoro longitudinal na peça
TV = velocidade do feixe sonoro transversal na peça.
CABEÇOTE NORMAL
PEÇA DETESTE
100%
10%
10%
50%
50%
CAMPO PRÓXIMO (FRESNEL)N
20
25%
25%
12 6
FIGURA 38. Zonas: morta, próxima, remota e ângulo de divergência do feixe sonoro.
FIGURA 39. Comprimento N do campo próximo. Região escura: alta pressão sonora. Região
clara: baixa pressão sonora.
FIGURA 40. Exemplo de comportamento de pressão acústica ao longo do feixe ultra-sônico.
46
FIGURA 41. Efeito de parede. Conversão de modo causado por divergência do feixe sonoro.
2.10.5.9 Detecção de descontinuidades nas três zonas: morta, próxima e remota
2.10.5.9.1 Detecção na zona morta
Se uma descontinuidade é subsuperficial e próxima à superfície, ela pode estar dentro da zona
morta e não ser detectada. Na zona morta é impossível a detecção de qualquer descontinuidade.
Os diagramas, fornecidos pelos fabricantes, apresentando os formatos dos feixes sonoros de
cabeçotes, indicam também o comprimento da zona morta.
2.10.5.9.2 Detecção na zona próxima ou campo próximo
Como já mencionado, o campo próximo é uma região de altas e baixas intensidades sonoras
ocasionadas por variações de fase (planos de partículas começam a vibrar em intervalos de tempo
irregulares e desiguais que variam muito a amplitude. Portanto, se a descontinuidade
subsuperficial se situa dentro da região do campo próximo, ela é detectada, mas com amplitudes
diferentes dependendo da posição em que ela está dentro da região do campo próximo. Se for
uma região de alta intensidade sonora, ela será detectada com grande amplitude ou grande altura
de eco no equipamento de ultra-som. Ao contrário, se for uma região de baixa intensidade sonora
ela será detectada com pequena amplitude ou pequena altura de eco no equipamento de ultra-
som. Por exemplo, no campo próximo, uma mesma descontinuidade situada próxima à superfície
pode produzir uma amplitude ou altura de eco menor do que se ela se encontrasse numa
profundidade maior, ou seja, mais longe do transdutor. Na zona próxima, não existem equações
47
estabelecendo relações matemáticas entre tamanhos de descontinuidades e as amplitudes ou
alturas irregulares de ecos provenientes das mesmas.
2.10.5.9.3 Detecção na zona remota ou campo remoto
Na zona remota a amplitude da indicação de descontinuidade diminui exponencialmente com o
aumento da distância. Neste caso, uma mesma descontinuidade situada mais próxima à
superfície, produz amplitude ou altura de eco maior do que se ela estivesse a uma profundidade
maior, ou seja, mais longe do transdutor. Portanto, como o decréscimo é exponencial, é possível
executar o traçado de curvas de correção de amplitude, onde, por exemplo, a mesma
descontinuidade de referência, tal como um furo de fundo plano, situado em profundidades
diferentes, produz, na tela do equipamento, amplitudes ou alturas de eco cujo envelope possui o
formato da curva exponencial, a partir do final do comprimento N campo próximo (GENERAL
DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-36 e 2-37; KRAUTKRÄMER, J.,
KRAUTKRÄMER, H., 1977, p. 63 e 65).
2.10.5.10 Cálculo do comprimento N do campo próximo
O feixe sonoro de um cabeçote normal sai do cristal, converge e depois diverge. Esta distância
do cristal até a região de convergência é o comprimento N do campo próximo. Uma
descontinuidade posicionada nesta região de convergência produz uma grande amplitude de eco.
Portanto, define-se comprimento N do campo próximo como a distância, a partir do cristal do
cabeçote, na qual pequenos refletores ou alvos ( Dr < 0,05 Deff ) produzem os ecos mais altos. Dr
é o diâmetro do pequeno refletor e Deff é o diâmetro efetivo do cristal do cabeçote.
Os valores de N, constantes das folhas de dados de cabeçotes fornecidas pelos fabricantes, se
referem ao campo próximo no aço, incluindo os caminhos de atraso nas sapatas. O comprimento
do campo próximo para cristais circulares é determinado pela equação (BERKE, 1985;
GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967 KRAUTKRÄMER GMBH –
SMITHKLINE COMPANY, 1979):
48
cfD
cfD
N eff
4.94,0
4. 2
02
≈= (12)
sendo:
N = comprimento do campo próximo (mm)
f = freqüência do eco (MHz)
c = velocidade do som na peça de teste (km/s)
effD = diâmetro efetivo do cristal (mm)
0D = diâmetro real do cristal (mm)
097,0 DDeff = (13)
20
2 94,0 DDeff = (14)
O diâmetro effD efetivo do cristal determina a área acusticamente efetiva do cristal. Pela equação
(13), observa-se que ele é menor que o diâmetro 0D real do cristal. Isto se deve ao fato que o
cristal, ao ser montado no cabeçote, é colado ou preso nas bordas em torno de seu perímetro. Isto
faz com que a sua superfície não oscile lateralmente com a mesma amplitude, ou seja, sofra um
amortecimento. A amplitude de oscilação cai então em direção à borda do cristal.
O comprimento do campo próximo para cristais quase quadrados, onde a diferença nos
comprimentos dos lados é no máximo 12% ou a razão dos lados não excede 1,12 é dado pela
equação (BERKE, 1985):
cfa
N eff .3.1
2
= (15)
sendo:
aeff = metade do comprimento efetivo do lado maior.
49
Os ângulos de divergência 6γ e 20γ para os cristais quase quadrados são (BERKE, 1985;
GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967 KRAUTKRÄMER GMBH –
SMITHKLINE COMPANY, 1979):
effaSen λγ 44,06 = (16)
effasen λγ 74,020 = (17)
sendo:
6γ = ângulo de divergência do feixe ultra-sônico, em relação ao eixo acústico, cuja intensidade
sonora é 50% da intensidade sonora de 100% no eixo acústico. Queda de 6 dBs.
20γ = ângulo de divergência do feixe ultra-sônico, em relação ao eixo acústico, cuja intensidade
sonora é 10% da intensidade sonora de 100% no eixo acústico. Queda de 20 dBs.
2.10.5.11 Ganho ou sensitividade (dB)
Na FIG. 38 foi mostrado o formato do feixe sonoro, onde no eixo acústico existe uma pressão
sonora de 100% e nos eixos laterais a pressão sonora vai se reduzindo para os valores de 50%,
25% e 10%. Se um refletor em forma de disco, que é o refletor mais simples, for posicionado em
frente ao eixo acústico central do feixe sonoro 100%, ele produzirá uma altura de eco que,
ajustando-se o ganho em dB do equipamento em um determinado valor, é estabelecida em 80%
da altura da tela, ou seja, A1 = 80% da altura da tela. Não se altera mais este valor estabelecido
de ganho. Este refletor é movimentado lateralmente até que fique posicionado em frente ao eixo
acústico lateral de 50%, e a altura do eco se reduzirá à metade da altura original de 80%, ou seja,
altura do eco = A2 = 50% de 80% = 40% da altura da tela. Novamente, este refletor é
movimentado lateralmente até que se estabeleça em frente ao eixo acústico lateral de 25%, e a
altura do eco se reduzirá a 25% da altura original de 80%, ou seja, altura do eco = A3 = 25% de
80% = 20% da altura da tela. Finalmente, movimenta-se lateralmente o refletor até que se
50
posicione em frente ao eixo acústico lateral de 10%, e a altura do eco se reduzirá a 10% da altura
original de 80%, ou seja, a altura do eco = A4 = 10% de 80% = 8% da altura da tela.
A pressão sonora, retornando do refletor, incide sobre o cristal gerando uma tensão elétrica no
mesmo que é proporcional à pressão sonora incidente. Como esta tensão é baixa, ela é alimentada
para um amplificador cuja sensitividade pode ser variada através de um controle de ganho
calibrado em dB (decibel). Uma determinada quantidade de decibéis significa vinte vezes o
logaritmo decimal da relação entre duas grandezas. Em ultra-som, estas duas grandezas são as
duas pressões sonoras transformadas em duas voltagens e lidas como duas alturas de ecos na tela
do equipamento. A equação matemática para definir dB é a seguinte (BERKE, 1985;
KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979).
1
2log20)(AAdBV =∆ (18)
onde: )(dBV∆ = diferença de ganho entre as alturas de dois ecos.
12 AA = relação entre as alturas de dois ecos
Para converter valor de dB, leitura no equipamento de ultra-som, para razões de amplitude ou
altura entre dois ecos, aplica-se a equação:
∆
= 20
1
2 10V
AA (19)
Importante observar que, em geral, os equipamentos de ultra-som, não possuem linearidade
vertical igual ou abaixo de 20% da altura da tela. Isto significa que se o eco está com sua altura a
20% da altura da tela, uma redução de 6 dBs no ganho ou sensitividade do equipamento não
reduz sua altura pela metade (10%) como deveria acontecer. A altura do eco pode ficar abaixo ou
acima de 10% da altura da tela. Portanto, as equações (18) e (19) não se aplicam nestes casos.
51
2.10.5.12 Freqüência do eco (f)
A freqüência de eco f de um cabeçote fornece a freqüência do pulso de eco presente na entrada
do equipamento de ultra-som. Ela corresponde à freqüência f0 do meio da banda com uma queda
de 6 dBs, correspondentes às freqüências fi (freqüência inferior) e fs (freqüência superior) como
mostrado na FIG. 42. Convencionou-se a definição de que este pulso de eco é gerado de um
grande refletor (eco de fundo) situado na distância de um comprimento de campo próximo N de
cabeçotes normais e angulares ou na distância focal F de cabeçotes focalizados ou cabeçotes SE.
O material deve proporcionar pequena e desprezível atenuação sonora. A faixa de tolerância da
freqüência de eco f = f0 de um cabeçote é dada nas folhas de dados (data sheet) fornecidas pelos
fabricantes de cabeçotes. Para se obter uma medida exata de freqüência deve-se usar um
analisador de freqüência. A largura da banda de freqüência é ∆f = fs – fi. Um equipamento de
banda larga segue a curva da (FIG. 42). O EPOCH II – PANAMETRICS do CDTN é um
equipamento de ultra-som de banda larga, onde freqüências são estabelecidas pelo usuário numa
faixa que pode variar de 0,5 MHz a 15 MHz, de acordo com a freqüência do cabeçote usado, para
haver um bom casamento de freqüência (KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE
COMPANY, 1979).
FIGURA 42. Freqüência do eco f = f0 e largura de banda ∆f = fs - fi.
52
2.10.6 Teste manual e teste automatizado. Envelopes de eco.
No teste manual, o intervalo de tempo que o cabeçote permanece estático na detecção de uma
descontinuidade é maior do que o tempo necessário para obter a informação. No teste
automatizado este tempo é determinado pela freqüência de repetição de pulsos estabelecida no
instrumento, pois, a rapidez do instrumento deve ser considerada em relação à velocidade de
varredura do cabeçote. Um equipamento de ultra-som é considerado rápido, se ele é capaz de
registrar muitas variações localizadas na quantidade medida. Quando um cabeçote varre a peça
de teste numa direção paralela à superfície, o sinal ou eco que retorna de uma descontinuidade de
referência passa por um máximo decrescendo de ambos os lados quando o cabeçote é afastado
de um lado e do outro da descontinuidade. Isto produz a forma de sino também chamada de
envelope do eco mostrado na (FIG. 43). No teste manual “cultiva-se” o eco para obter o envelope
do eco. No teste automatizado é impossível “cultivar o eco”, por isso estabelece-se, como
referência, uma queda de 3 dBs, ou seja, quando o eco reduz sua altura de 100% para 71%
registra-se o sinal da descontinuidade a cada distância d∆ percorrida pelo cabeçote em
varredura lenta. No teste automatizado, a velocidade máxima de varredura mV de um cabeçote,
com uma determinada freqüência de repetição de pulsos ν estabelecida no instrumento,
necessária para medidas de descontinuidade por dois pulsos sucessivos para diferir por menos do
que 3 dBs é (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p.
489) dada por:
2dVm
∆=ν (20)
53
FIGURA 43. Envelope do eco obtido na varredura lenta de uma descontinuidade de referência.
2.10.7 Cabeçote focalizado e cabeçote SE
Os cabeçotes esférica ou linearmente focalizados se destinam à detecção de pequenas áreas,
porque produzem feixes sonoros muito menores do que aqueles produzidos por cabeçotes
normais ou planos não focalizados, como é mostrado na (FIG. 44). É como se o comprimento N
do campo próximo fosse reduzido para um comprimento igual à distância focal F. Para a maioria
dos cabeçotes focalizados, a redução ou grau de focalização K é de 20% a 50%%, ou seja,
5,02,0 ≤≤ K (K sempre menor que 1), sendo:
NFK = (21)
sendo:
F = distância focal
N = comprimento do campo próximo
A focalização é conseguida utilizando três técnicas básicas; (1) curvando o próprio material
piezelétrico do cristal, por meio de sinterização, e aterrando-o na carcaça do cabeçote através de
um conector de aterramento; (2) colando uma lente plano côncava em frente ao cristal; (3)
54
colocando uma lente bicôncava em frente ao cristal. Na FIG. 45 são mostradas as duas últimas
técnicas de focalização: lente bicôncava e lente plano-côncava.
FIGURA 44. Feixes ultra-sônicos: não focalizado e focalizado (com lente).
FIGURA 45. Técnicas de focalização (a) lente bicôncava (b) lente plano côncava.
Nos cabeçotes normais focalizados e cabeçotes SE (com dois cristais: um emissor e outro
receptor) o comprimento N do campo próximo é substituído pela distância focal F, que é a
distância entre a face de contato do cabeçote e o ponto focal. O ponto focal é o ponto onde uma
pequena descontinuidade, ali situada, provoca altura máxima de eco na tela do instrumento, isto
é, reflete a maior quantidade de energia para o transdutor. A distância focal F de um transdutor é
medida, experimentalmente, com um pequeno alvo de esfera de aço liberando reflexão sonora
máxima da sua superfície atingida por um feixe ultra-sônico. Na metodologia é apresentado, de
maneira prática, este procedimento. Embora não constituindo objeto deste texto, vale a pena citar
que no diagrama DGS (Distance Gain Size) a distância focal F é considerada como sendo a
distância na qual a curva do menor ERS (Equivalent Reflector Size) alcança seu máximo. Na
55
FIG. 46 são apresentados um cabeçote focalizado em linha e um cabeçote SE, mostrando a
distância focal F, a largura focal FB no eixo X e a largura focal FL no eixo Y.
FIGURA 46. Perfis dos feixes ultra-sônicos do cabeçote focalizado em linha (elipse) e cabeçote
SE (Dois cristais: um cristal emissor de som e outro cristal receptor do som refletido na peça).
Nesta figura são definidos os seguintes parâmetros: (1) FTn (profundidade focal ou comprimento
focal no eixo Z) que é a distância em frente ou depois do ponto focal ao longo do eixo acústico na
qual as amplitudes dos ecos de pequenos refletores sejam pelo menos “n” dBs menos do que a
amplitude do eco na distância focal. Por exemplo, n = 6 dB, o que corresponde na prática, teste
de imersão, é que se afasta ou aproxima-se verticalmente o cabeçote da esfera de aço até que a
altura do eco original se reduza pela metade (50%). Na metodologia, estas distâncias verticais são
lidas em um dispositivo traçador de altura fornecendo a profundidade ou comprimento focal FT6
para queda de 6 dBs na altura do eco proveniente da superfície coincidente com o eixo que passa
pelo centro geométrico da esfera de aço; desloca-se o transdutor verticalmente para cima e para
baixo até que a altura original do eco se reduza a 25% em ambas as posições, esta distância
vertical é a profundidade ou comprimento focal FT12 para 12 dBs. Cabe observar aqui, embora
56
não seja matéria deste texto, que a FTn pode ser determinada do diagrama DGS - Distance Gain
Size. (2) FBn (largura focal no eixo X) e FLn (largura focal no eixo Y): a distância a partir do
eixo acústico, na qual a amplitude de eco cai por “n” dBs é designada como largura focal FBn
(eixo X) e a distância a partir do eixo acústico na qual a amplitude do eco cai por “n” dBs é
designada por FLn (eixo Y). Estas distâncias são determinadas movimentando-se lateralmente um
pequeno alvo refletor em forma de esfera ou pino, situado no ponto focal, em ângulos com o eixo
acústico, havendo então uma redução na amplitude ou altura do eco. Se o alvo refletor é
movimentado para ambos os lados, nas direções X e Y, até que a altura do eco se reduza a 50%,
ou 6 dBs, tem-se os valores de FB6 e FL6. Continuando o movimento lateral afastando-se mais do
alvo refletor até que a altura do eco se reduza a 25% ou 12 dBs, tem-se os valores de FB12 e
FL12.
2.10.7.1 Formato dos focos dos feixes sonoros de cabeçotes normais, cabeçotes focalizados
em linha e em ponto, cabeçotes SE e cabeçotes angulares
O formato do foco é definido determinando-se FBn (eixo X) e FLn (eixo Y) com o alvo refletor
situado na distância focal F. Em cabeçotes normais que, como regra possuem cristais circulares,
o ponto focal está no final do comprimento N campo próximo. Eles geram um feixe sonoro que
tem uma seção transversal circular, portanto, FBn = FLn no foco. Em cabeçotes focalizados em
linha a seção transversal do foco é elíptica, como se pode observar na FIG. 46, e FBn ≠ FLn. Em
cabeçotes focalizados em ponto, a seção transversal do pequeno foco é circular, FBn = FLn.
Cabeçotes SE geram feixes não circulares como mostrado na FIG. 46, portanto, FBn ≠ FLn.
Cabeçotes angulares geram feixes não circulares, FBn ≠ FLn. (AMERICAN SOCIETY FOR
NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 258, 260; BERKE, M., 1985, Chapter 2, p.
7; KRAUTKRÄMER GMBH – SMITHKLINE COMPANY, 1979, item 5)
2.10.8 Convergência do foco ultra-sônico em metais ou outros materiais. Efeito de segunda
lente.
No teste por imersão as velocidades sonoras no metal e na água são diferentes. Por isto, o feixe
sonoro ao penetrar a superfície do metal sofre refração seguindo a lei de Snell. A superfície do
57
metal forma uma segunda lente que é muito mais potente do que a lente colocada na frente do
cristal. Este efeito de lente desloca o ponto focal para mais perto da superfície do metal, em
comparação com o comprimento focal, considerando-se a propagação apenas na água, como
mostrado na (FIG. 47). A segunda lente introduz três efeitos importantes: (1) reduz o diâmetro do
feixe; (2) melhora a sensitividade e a resolução de descontinuidades bem próximas à superfície
(3) efeito direcional acentuado. Estas complexas interações produzem grandes aumentos na
sensitividade. Os distúrbios provenientes de superfícies rugosas e ruído no metal são reduzidos
devido à concentração da energia sonora num feixe menor. Então, numa área diminuta, as
indicações ou alturas de ecos provenientes de descontinuidades reais serão relativamente maiores
do que as indicações provenientes de ruídos e outras indicações irrelevantes. Há possibilidade
também de se estudar áreas que produzem amplitudes de reflexão (alturas de eco) muito baixas,
tais como interfaces (ligações) aço inoxidável/cobre eletro-depositado e aço inoxidável/UO2 no
combustível tipo placa para reatores nucleares. Na FIG. 48 é mostrado o sistema típico para teste
ultra-sônico de imersão onde se vê o tanque de água e o sistema de varredura, possibilitando
movimentos dos cabeçotes de ultra-som nas direções XYZ, conforme indicado pelas setas
(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 262;
GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 3-11. 3-16 e 3-17).
FIGURA 47. Efeito segunda lente deslocando o ponto focal para mais perto da superfície.
58
FIGURA 48. Sistema típico para teste ultra-sônico de imersão.
2.10.9 Reflexão e transmissão
Outra quantidade que define a propagação da onda no interior de cada material é a impedância
característica Z, também chamada de impedância acústica ou impedância mecânica oferecida
pelo material à passagem da onda sonora, e assim definida:
cZ .ρ= (22)
Sendo:
Z = impedância acústica do material sob teste (kg/m2.s)
ρ = densidade do material sob teste (kg/m3)
c = velocidade do som dentro do material sob teste (m/s)
Reflexão é o retorno da onda sonora após incidir na interface de materiais diferentes; transmissão
é a passagem de uma porção das ondas sonoras através da interface do primeiro para o segundo
material. Devido à diferença de impedância acústica dos dois materiais, a onda sonora
proveniente do primeiro material, ao incidir na interface, se divide: uma parte é refletida de volta
para o primeiro material e a outra parte é transmitida para o interior do segundo material, como
mostrado nas FIG. 49 e 50. Pode-se notar por estas figuras que na região da interface existe
interação ou interferência entre a frente de onda incidente e a frente de onda refletida. Pi é a
59
amplitude (pressão ou energia) da onda incidente, Pr é a amplitude (pressão ou energia) da onda
refletida e Pt é a amplitude (pressão ou energia) da onda transmitida. O meio que possui maior
impedância acústica Z reflete mais. O tungstênio que possui uma alta impedância acústica (Z =
104,286 x 106 kg/m2.s) reflete 94,5% dos 100% da onda sonora incidente e deixa passar para o
seu interior apenas 5,5%. O urânio que também possui uma alta impedância acústica (59,84
kg/m2. s) reflete 90,58% da energia sonora incidente e deixa transmitir para o seu interior apenas
9,42%. Na metodologia, onde se pesquisou a ligação do revestimento de aço inoxidável 304 com
o cerne combustível UO2/aço inox, este comportamento foi levado em consideração.
FIGURA 49. Ondas sonoras senoidais incidente, refletida e transmitida.
FIGURA 50. Frentes de ondas sonoras incidente, refletida e transmitida.
60
Os fatores de reflexão R e transmissão T são, matematicamente, assim definidos:
( )( )2
12
212
ZZZZR
+−
= (23)
( )212
214ZZZZT
+= (24)
Num teste de imersão em alumínio, sob condições ideais, isto é, sem quaisquer perdas, utilizou-se
os dados de impedância acústica 1Z = 1,48 x 106 kg/m2.s para a água e 2Z = 17,064 x 106 kg/m2.s
para o alumínio constantes da TAB. 3 . Aplicando estes dados nas equações (23) e (24), pode-se
ver, pela análise da FIG. 51, que dos 100% de energia incidente na superfície apenas 29,4% é
transmitida para dentro da peça de alumínio. A onda transmitida, ao incidir sobre uma falha
perfeita (lisa, plana e sem rugosidade) no interior da peça de alumínio, é completamente refletida.
Quando a onda refletida, com 29,4% de energia inicial, atinge novamente a interface
alumínio/água, ela será parcialmente transmitida através da interface, e a onda transmitida
conterá apenas 8,6% da energia inicial emitida pelo cabeçote, ou seja, a onda que retornará ao
cabeçote, excitando o cristal, terá apenas 8,6% da energia da onda original. Na metodologia, no
caso da placa combustível, na interface placa de revestimento de aço inoxidável e cerne
combustível da liga UO2/aço inoxidável, o retorno da onda sonora para o cabeçote é ainda menor,
1,27% a 1,44%, no teste por imersão e 0,92% no teste por contato utilizando cabeçote com
sapata de atraso (delay line transducer). No teste por imersão o retorno pode ser maior devido ao
uso de cabeçotes focalizados onde a placa combustível é posicionada na região focal, onde a
intensidade de energia do feixe sonoro é elevada. Estes retornos diminutos de energia sonora
obrigam o instrumento a trabalhar com ganhos excessivos gerando ecos de alturas consideráveis,
correspondentes a ruídos que podem se confundir com as reais e também diminutas indicações de
descontinuidades. Isto constitui uma piora ou redução na relação sinal/ruído, ou seja, sinal da
descontinuidade se confundindo com o ruído inerente ao aumento da amplitude ou ganho
(sensitividade). Importante observar que no teste por contato com cabeçote normal com cristal de
titanato de bário (BaTiO3) este, geralmente, possui placa de proteção ou desgaste, feita de
alumina, na frente do cristal para não danificá-lo. A transmissão da onda sonora de retorno para o
61
cabeçote se torna menor, pois, além de passar pelo óleo acoplante, ela tem que atravessar a placa
de alumina cuja impedância é cerca de 23 vezes maior que a do óleo acoplante. Os valores de
impedâncias têm que ser, na medida do possível, aproximadamente iguais, para haver um
adequado casamento de impedâncias e uma melhor transmissão da onda sonora para o cristal do
cabeçote. Para atenuar este efeito, fabrica-se a placa de proteção com espessura t muito fina,
cerca de um quarto do comprimento de onda λ do feixe sonoro percorrendo o interior do aço onde
a velocidade sonora é 5920 m/s. Para um cabeçote normal de contato de freqüência 4 MHz, o
comprimento de onda é λ = 5,92/4 = 1,48 mm. Assim, a espessura t da placa de proteção de
alumina para uma máxima transmissão sonora para o interior do cristal do cabeçote com um
mínimo grau de interferência será 1,48/4 = 0,37 mm. Não considerando a impedância acústica da
película de óleo acoplante (Zóleo = 1,40x106kg/m2. s), por ter espessura muito fina, menor, por
exemplo, do que um comprimento de onda no óleo igual a 0,435 mm para cabeçote de 4 MHz,
deve haver um casamento ou semelhança entre os valores de impedância do cristal de titanato de
bário (Zc = Ztitanato = 25,08 x106kg/m2.s), impedância da placa de proteção de alumina (Zp =
Zalumina= 32,40 x 106kg/m2.s) e impedância do material da peça de teste (Zm = Zaço = 46,472
x106kg/m2.s) para haver uma boa transmissão de energia sonora de retorno para o cristal titanato
de bário, conforme a equação (25) que deu origem ao gráfico da FIG. 52, onde se observa que a
máxima transmissão ocorre quando a impedância acústica da placa de proteção fica em torno de
32x106 kg/m2.s (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume
7, p. 260; BERKE, M., 1985, Chapter 1, p. 5, 6 e 13; KRAUTKRÄMER GMBH – DIV.
MARKETING-COMUNICACIONES, 1977, p. 86 a 89)
FIGURA 51. Teste de imersão em alumínio.
62
TABELA 3. Velocidade, densidade, impedância acústica, fator de reflexão, fator de transmissão e
índice de refração para materiais envolvidos no teste ultra-sônico de materiais
(KRAUTKRÄMER GMBH – DIV. MARKETING-COMUNICACIONES, 1977, p. 86 a 89).
Na água a 25 ºC (77 ºF) -------------------------------------------------------------- Material Velocidade Densidade Impedância Fator de reflexão Fator de Índice de refração do do som acústica transmissão material sob teste c2 (longit.) ρ Z2 R = (Z2 – Z1)2 T = 4Z1Z2 (103m/s) (103kg/m3) (106Kg/m2.s) (Z2 + Z1)2 (Z2 + Z1)2 n = c1/c2
em relação à água
Aço 5,92 7,85 46,472 88,00% 12,00% 0,25 Alumínio 6,32 2,70 17,064 70,60% 29,40% 0,234 Tungstênio 5,46 19,10 104,286 94,50% 5,50% 0,27 Urânio 3,20 18,70 59,84 90,58% 9,42% 0,46 Ar 0,333 0,001 0,00 100,00% 0,00% 4,44 Água 1,48 1,000 1,48 0,00% 100,00% 1,00 Plexiglass 2,73 1,18 3,22 13,80% 86,20% 0,54 Sulfato lítio 4,72 2,06 9,72 0,15% 99,85% 0,31 Alumina 9,00 3,60 32,40 0,83% 0,17% 0,16 Titanato bário 4,40 5,70 25,08 0,79% 0,21% 0,33 Óleo (azeite) 1,74 0,87 1,514 0,00% 100,00% 0,85 Observações: - O índice 1 se refere à água (acoplante) e o índice 2 se refere ao material sob teste. - c1 = 1,48 x 103 m/s (Velocidade do ultra som na água) - Z1 = 1,48 x 106 Kg/m2.s (Impedância acústica da água) - Considera-se que o som vai do meio 1 (água) para o meio 2 (material sob teste) e se refrata ou muda a sua trajetória ao entrar no material.. Por isto, o índice de refração é n = c1/c2 , ou seja, do material sob teste em relação à água.
( ) ( )22
2
.
..16
mpcp
mcp
ZZZZ
ZZZT
++= (25)
sendo:
pZ = impedância acústica da placa de proteção
cZ = impedância acústica do cristal
mZ = impedância acústica do material da peça de teste
63
Introduzindo na equação (25) os valores pZ = 32,40 (alumina), cZ = 25,08 (titanato de bário) e
mZ = 46,47 (aço) tem-se T = 0,95 = 95%
FIGURA 52. Fator de transmissão ( )T x Impedância acústica da placa de proteção do cristal
( )pZ .
2.10.10 Efeitos das superfícies e das descontinuidades sobre o feixe sonoro
Peças de teste com superfície inclinada, como a mostrada na FIG. 53, refletem o feixe sonoro em
várias direções, resultando na perda total da reflexão ou eco de fundo ou num sinal ultra-sônico
chegando ao cristal do cabeçote. Estes sinais devem ser bem estudados para não serem
interpretados como provenientes de indicações de descontinuidades.
FIGURA 53. Efeitos de superfícies inclinadas sobre o feixe ultra-sônico.
64
Se a superfície da peça de teste é convexa, como mostrado na FIG. 54, o feixe sonoro torna-se
largo, pois é refratado e refletido obedecendo a lei de Snell. Por isto, potência ou energia acústica
considerável é perdida e os sinais que retornam de uma descontinuidade são pequenos
comparando-os com os sinais maiores provenientes da mesma descontinuidade numa peça de
teste de superfície plana. Se a superfície da peça de teste é côncava, como na FIG. 55, o feixe
sonoro converge e fica estreito, formando região focal de forte pressão sonora incidindo na
descontinuidade, resultando em relativamente maior amplitude ou altura de eco proveniente da
mesma. Isto pode dificultar a identificação e a discriminação da descontinuidade por causa das
reflexões não desejadas da superfície da peça de teste que forma uma lente convergindo
fortemente o som em direção ao cristal do cabeçote. Nas FIG. 56 e 57 são apresentados os
diversos efeitos das superfícies e das descontinuidades que tornam fracos ou fortes os sinais ultra-
sônicos (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, 1967, p. 2-33 e 2-34).
FIGURA 54. Efeito da superfície convexa.
FIGURA 55. Efeito da superfície côncava.
65
FIGURA 56. Efeitos das superfícies na intensidade sonora.
FIGURA 57. Efeitos das descontinuidades na intensidade sonora.
2.10.11 Formação de descontinuidades em forjados, laminados e extrudados
O conhecimento dos processos de fabricação e metalurgia dos materiais é muito útil para
interpretar os sinais ultra-sônicos provenientes dos mesmos. Descontinuidades em forjados
tendem a se orientar na direção do fluxo de grão. Os processos subseqüentes à operação de forja
são laminação ou extrusão. Na laminação de uma placa ou chapa, a direção do grão, que é a
direção que o metal flui durante o trabalho de laminação, é relativamente simples de se
66
determinar. As descontinuidades ou delaminações ficam geralmente paralelas à superfície da
chapa e alongadas na direção em que ocorreu a maior quantidade de laminação. Porém existem
variações para esta generalização e as descontinuidades podem ficar orientadas na direção
transversal à direção de laminação como no caso do alumínio 7075-T6. Na extrusão, as
descontinuidades ficam aproximadamente alongadas na direção da extrusão, ou seja, alongadas
na direção do comprimento do eixo (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE
TESTING, 1991, Volume 7, p. 235 e 236)
2.10.12 Detecção de descontinuidades próximas à superfície
Ao se varrer a peça de teste com um cabeçote normal, as descontinuidades que estão muito
próximas à superfície não podem ser detectadas sempre. Isto é devido ao efeito da zona próxima
e tempo de recuperação do equipamento. A onda sonora refletida por uma descontinuidade
próxima à superfície interfere com as ondas sonoras refletidas da superfície frontal, sendo o
equipamento de ultra-som incapaz de resolver ou separar a energia em dois diferentes sinais.
Uma leve variação na aparência da reflexão frontal não é necessariamente uma indicação da
descontinuidade próxima à superfície. Isto é devido ao fato que uma variação na planicidade ou
rugosidade da superfície do objeto sob teste pode também produzir uma indicação da superfície
frontal. Variações na rugosidade ou planicidade suficientes para causar flutuações numa
indicação da superfície frontal podem usualmente ser detectadas por toque. Quando flutuações da
reflexão frontal não podem ser atribuídas à condição de superfície, a possibilidade de ocorrência
de uma descontinuidade próxima à superfície deve ser investigada realizando o exame pela
superfície oposta. Descontinuidades próximas à superfície podem também ocasionar uma perda
da reflexão de fundo. Para melhorar a detecção de descontinuidades próximas à superfície,
utilizam-se técnicas de transdutores duplo cristal ou SE, cabeçotes focalizados e cabeçotes com
sapatas de atraso, onde uma sapata plástica de certo comprimento é colocada em frente ao cristal
para confinar em seu interior a zona morta e o campo próximo (AMERICAN SOCIETY FOR
NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 237 e 238).
67
2.10.13 Granulação grosseira. Diâmetro médio das microesferas. Altos níveis de
ruído. Detecção ultra-sônica.
Os sinais ultra-sônicos provenientes de tamanhos de grãos grosseiros, comparados com os
tamanhos de grãos padrões 1 a 4 ASTM, geram consideráveis níveis de ruído ou ecos de elevada
amplitude em forma de “gramas” na tela do equipamento de ultra-som, que podem mascarar
indicações de descontinuidades. Os grãos grandes e largos resultam de (1) alta temperatura
durante o trabalho a quente (2) subseqüente recozimento impróprio. A peça de teste tem que ser
tratada para haver refinamento de grão atingindo o tamanho padrão 6 a 8 ASTM e a conseqüente
ausência ou redução de ruído. No item 2.7, FIG. 11, é mostrada foto micrografia, pós-laminação
da miniplaca combustível e autoclavagem a 225 ºC, do núcleo combustível com microesferas de
UO2 de alta esfericidade e diâmetro médio de 170 µm (bem próximo ao diâmetro especificado
de 150 µm) que podem gerar consideráveis sinais ultra-sônicos de ruídos. O crescimento de grão
de UO2 ocorre a partir de 1700 ºC e acima. Portanto, no combustível tipo placa em tela não
ocorre crescimento de grão de UO2, pois a sinterização da pastilha é feita a 1200ºC/2h/H2. Assim,
problemas de detecção e ruídos no teste por ultra som deverão ser principalmente atribuídos ao
tamanho relativamente grande das microesferas cujo diâmetro médio é 170 µm ou 0,17 mm
(AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, Volume 7, p. 238 e 239;
ASSIS, G., 2007; FERRAZ et al, 2003, p. 5 e 12 a 15; FERRAZ et al, 2004, p. 22 a 24).
2.10.14 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico num tanque de imersão
O perfil do feixe ultra-sônico é traçado com o auxílio de um pequeno refletor, dentro de um
tanque de imersão com água, o qual pode ser uma esfera de aço ou um pino de face plana ou um
arame fino que é varrido pelo feixe ultra-sônico. Neste trabalho, escolheu-se como alvo refletor a
esfera de aço varrida, no plano horizontal nas direções perpendiculares x e y , por um feixe
sonoro numa distância vertical z dentro de um tanque de água, como mostrado na (FIG. 58). O
cabeçote é movimentado para baixo e para cima na direção z e lateralmente nas direções x e
y até que o eco proveniente do centro geométrico da superfície da esfera seja maximizado e
colocado, através do ajuste de ganho do instrumento, a 80% da altura da tela. A distância z
corresponde ao comprimento N do campo próximo para cabeçotes normais sem lente ou à
68
distância focal F para cabeçotes focalizados como já mostrado na (FIG. 46). Para determinação
dos comprimentos x (largura focal FBn na direção x e y (largura focal no eixo y ),
movimenta-se lateralmente a esfera de aço nos sentidos xx +− , e yy +− , até que o eco se reduza
à metade da sua altura original de 80%, ou seja, fique em 40% da altura da tela, o que
corresponde a uma queda de 6 dBs, sendo então determinados os diâmetros focais nas direções
x e y . Com o eco maximizado a 80% da altura da tela, com o feixe sonoro colocado novamente
sobre o centro geométrico da superfície da esfera, o cabeçote é movimentado verticalmente na
direção z e a ponta superior do eco se movimentará horizontalmente com a altura de 80%, por
uma determinada distância até o limite em que começa a decair de 80% de altura da tela. Esta
distância é o comprimento focal FTn no eixo z . A movimentação vertical do cabeçote nos dois
sentidos z+ e z− fornece o comprimento focal FTn no dois sentidos. Na metodologia, com a
finalidade de examinar, através da técnica de ultra som por imersão, placas combustíveis
conforme esquema mostrado na FIG. 100, foi construído e montado o equipamento XYZ da FIG.
99, de maneira semelhante à montagem da FIG. 58, para possibilitar o traçado do perfil do feixe
sonoro de maneira mecânica e não por método ótico, princípio de Huygens.
FIGURA 58. Esquema do equipamento XYZ para traçar o perfil do feixe sonoro utilizando uma
esfera como alvo refletor.
69
2.10.15 Refletores de referência
O teste não destrutivo por ultra-som detecta descontinuidades naturais (trincas, poros,
delaminações, etc) em componentes e que, dependendo do seu tamanho e localização, podem
comprometer a utilização do componente e afetar a segurança. O exame de um componente é
realizado com o auxílio de padrões de referência contendo descontinuidades artificiais com
geometria conhecida, cujos sinais ultra-sonoros serão obtidos e arquivados, de acordo com
normas estabelecidas, para posteriormente serem comparados com os sinais ultra-sonoros
provenientes de descontinuidades naturais encontradas no componente. Diz-se então que o
tamanho e forma de uma descontinuidade natural, situada numa determinada profundidade na
peça de teste, equivale, sob as mesmas condições de teste, a um determinado tamanho e forma de
descontinuidade simulada de referência, inserida artificialmente em bloco de referência
geralmente do mesmo material que a peça de teste, situada na mesma profundidade que a
descontinuidade natural. Portanto, a descontinuidade natural é quantificada como equivalente a
um determinado tamanho de refletor artificial.
Os níveis de avaliação, com base em normas oficiais ou resultados de estudos, devem constar na
especificação do produto. Como exemplo, se a altura do sinal ultra-sonoro proveniente de uma
descontinuidade natural for menor que a altura do sinal ultra-sonoro proveniente de um
determinado tamanho de refletor equivalente, estipulado para ser a referência, a descontinuidade
é considerada como não prejudicial ao uso do componente, que poderá continuar operando com a
presença da descontinuidade. Caso contrário, o componente deve ser reparado ou retirado de
operação.
Nas FIG. 59 a 62 são mostrados alguns refletores de referência artificiais utilizados no teste por
ultra-som para avaliação de descontinuidades naturais, a saber, parede de fundo (backwall), furo
cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole), furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole), entalhe
(notch) e ranhura (groove), (BERKE, M., 1985, chapter 5, p. 74 a 82; GENERAL DYNAMICS –
CONVAIR DIVISION, 1967, p. 3-19 a 3-23 e 5-3 a 5-12).
70
FIGURA 59. Parede de fundo (backwall).
FIGURA 60. Furo cilíndrico (SDH – Side Drilled Hole).
FIGURA 61. Furo de fundo plano (FBH – Flat Bottom Hole).
71
(a) (b)
FIGURA 62. (a) entalhe (notch) e (b) ranhura (groove).
72
3 METODOLOGIA
3.1 Fabricação de miniplaca combustível com núcleo de pastilha UO2/aço inox
A metodologia apresentada a seguir, mostra, com detalhes dimensionais e parâmetros de
construção envolvidos, os procedimentos de fabricação das pastilhas, a partir da mistura ou
dispersão das microesferas de UO2 em matriz (pó) de aço inoxidável 304, e os procedimentos de
fabricação das miniplacas combustíveis, também com detalhes dimensionais e parâmetros de
construção envolvidos, a partir das pastilhas já conformadas e prontas. Cada caramelo ou pastilha
verde de 13,5mm x 13,5mm é introduzido num quadro ou moldura (picture frame) contendo furo
usinado um pouco maior que 13,5mm x 13,5mm. Esta moldura é de aço inoxidável 304 e possui
a espessura de 1/4” (6,35 mm). Em seguida são soldados (Solda TIG – Tungsten Inert Gas)
neste conjunto moldura/caramelo, de ambos os lados, duas chapas de revestimento (cladding) de
aço inoxidável 304 com espessura de 1,00 mm cada uma ( se a espessura for 0,4 mm as chapas de
revestimento rompem na interface entre chapa de moldura e o núcleo do combustível durante
a posterior laminação a quente – 1300 ºC - e também rompem pela oxidação excessiva
permitindo, nos dois casos, o vazamento de fragmentos de combustível ) deixando duas
aberturas para saída do gás de soldagem por ocasião da laminação. Na FIG. 63 é mostrado o
conjunto moldura, revestimentos e pastilha antes da montagem.
FIGURA 63. Conjunto moldura (picture frame), pastilha e duas placas de revestimento.
Espessura inicial da moldura (picture frame) = 6,35 mm (1/4”). Espessura inicial da pastilha
combustível UO2/inox = 6,35 mm (1/4”). Espessura inicial de cada placa de revestimento = 1,0
mm.
73
Na FIG. 64 é apresentado o conjunto já montado, mas ainda sem a solda TIG ao redor de seu
perímetro.
FIGURA 64. Montagem inicial da miniplaca combustível antes do fechamento por soldagem TIG
nas bordas moldura/revestimento para posterior laminação. Espessura total da miniplaca
combustível antes da laminação = 8,35 mm.
A partir deste ponto são utilizados os seguintes equipamentos: (1) FIG. 65 – lado esquerdo:
Laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas, marca SUNDWIG, composto de 2 cilindros
de trabalho com diâmetro de 100 mm e dois cilindros de encosto com diâmetro de 300 mm; 1
motor trifásico, marca BAUKNECHT de 32/45 KW, 380 V e 63,5/84 A; 1 motor trifásico
para acionamento dos cilindros de encosto, marca SIEMENS de 7,3 KW, 220/380 V, 18 A e 1
caixa de redução com embreagem, sem marca (2) FIG. 68 – lado direito: Forno tubular 1300 ºC,
marca EDG, modelo FT-80/5P/WBF, configuração bipartido, carcaça de aço carbono,
comprimento 1100 mm, temperatura máxima uniforme de 1300 ºC em uma região de 800 mm de
comprimento, equipado com controlador micro-processado modelo EDGON 0-5P de 5 ciclos
completos, flange para fixação de tubo de alumina com diâmetro externo de 90 mm onde foi
adaptado na extremidade deste tubo um dispositivo para permitir entrada de gás inerte argônio
evitando a oxidação da miniplaca combustível durante o aquecimento (3) Dispositivo para
desempeno de chapas consistindo de duas chapas de aço inox, cada uma com comprimento x
largura x espessura = 400x150x15 mm, com parafusos laterais para fixação e aperto das chapas
laminadas (BRAGA, D. M.;DE PAULA, J.B.; FERRAZ, W.B. Disponível em
<http://www.instec.cu/e-books//LIBROS/enfir/RO7/R07_361.PDF> Acesso em 07.01.2008).
74
FIGURA 65. Lado esquerdo: laminador de chapas quádruo pesando 10 toneladas. Lado direito:
forno tubular 1300 ºC.
Leva-se, então, esta miniplaca combustível ou sanduíche, com espessura original de 8,35 mm ao
forno tubular 1300 ºC; rampa de aquecimento do forno ou velocidade máxima de aquecimento
do forno é 15 ºC/minuto; tempo de recozimento aproximado de 15 minutos injetando-se argônio
para evitar oxidação nas chapas de revestimento; vazão de argônio: 5 litros/minuto (em
experiência posterior aumentado para 15 litros/minuto) e calibrado a 3,5 kgf/cm2; capacidade do
cilindro de argônio: 10 m3 = 10000 dm3 = 10000 litros. O ponto de equilíbrio de forno é atingido
em aproximadamente 15 minutos.
Retira-se então, com a pinça, rapidamente do forno, a placa combustível que é colocada
imediatamente no laminador de chapas quádruo. Lamina-se a quente 1300 0C. Após este passe de
laminação retorna-se com a placa combustível para o forno e prossegue-se retirando e colocando
seguidas vezes no forno e executando vários passes de laminação, ocasionando redução
progressiva em sua espessura até obter a placa combustível com espessura de 2,90 mm. Com a
posterior laminação a frio, para obter precisão de medida, atinge-se a espessura de 2,40 mm,
conforme especificação dimensional exigida pelo Segundo Núcleo do INAP/CTMSP – Instalação
Nuclear a Água Pressurizada do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo (FERRAZ et al,
2003, p. 3).
Os passes progressivos de laminação são descritos detalhadamente a seguir:
75
1º passe de laminação: Espessura inicial de 8,35 mm para espessura de 7,50 mm
Redução de 11,76% na espessura
Retorna com a placa combustível para o forno
2º passe de laminação: Espessura de 7,50 mm para 5,60 mm
Redução de 25,33% na espessura
Retorna com a placa combustível para o forno
3º passe de laminação: Espessura de 5,60 mm para espessura de 4,00 mm
Redução de 28,57% na espessura
Retorna com a placa combustível para o forno
4º passe de laminação: Espessura de 4,00 mm para espessura de 3,20 mm
Redução de 20% na espessura
Retorna com a placa combustível para o forno
5º passe de laminação: Espessura de 3,20 mm para espessura de 2,90 mm
Redução de 9,40% na espessura
Resfriar ao ar livre
Na FIG. 66 é mostrada a seqüência típica para a fabricação de miniplaca combustivel .
FIGURA 66. Seqüência típica empregada na construção de miniplaca combustível incluindo a
montagem em suportes resultando na simulação do elemento combustível mostrado na FIG. 4.
76
Em seqüência, as placas são decapadas quimicamente em uma solução aquosa de ácido nítrico
(HNO3) e ácido fluorídrico (HF). Logo a seguir, para obtenção da precisão dimensional da
medida final de espessura de 2,40 mm, as miniplacas são laminadas a frio, com redução de 5% na
espessura em cada passe de laminação. Finalmente, as miniplacas combustível são desempenadas
no dispositivo de desempeno de chapas, descrito acima neste mesmo item 3.2, e devem ter
acabamento com rugosidade superficial especificada de 1 µm e não apresentar, externa e
visualmente, qualquer evidência de rompimento, empolamento ou inchação (swelling) (FERRAZ
et al, 2003, p. 6). A FIG. 67 mostra uma miniplaca combustível apresentando empolamento ou
inchação (swelling).
FIGURA 67. Miniplaca combustível apresentando inchação (swelling) visível na região do
núcleo na placa.
Importante notar que o tamanho do forno (comprimento 1000 mm) permite a fabricação de
miniplacas com dimensões de 520 mm (52 cm) de comprimento e largura de 52 mm (5,2 cm).
Mas para se fabricar placas do tamanho real de 60 cm de comprimento para serem utilizadas no
reator é necessário um forno maior, ou seja, com largura maior. Tal forno não existe no CDTN
(FERRAZ et al, 2004, p. 23 e 24).
77
3.2 Controle da qualidade nas miniplacas combustível
3.2.1 Critérios para adoção dos refletores de referência para o teste não destrutivo por
ultra-som
Conforme já apresentado, alguns dos refletores de referência artificiais utilizados no teste por
ultra-som para avaliação de descontinuidades naturais são: a parede de fundo do componente,
furos cilíndricos, furos de fundo plano, entalhes e ranhuras. Katchadjian (2002) detectou,
utilizando o teste não destrutivo por ultra-som, um furo de fundo plano de diâmetro 2,5 mm
usinado no cerne de um combustível tipo placa para reatores de pesquisa e teste de materiais com
revestimento e moldura de alumínio. Descontinuidades artificiais como um furo passante de 0,23
mm de diâmetro e entalhes de comprimentos 3,20 a 3,25 mm, larguras de 0,051 a 0,089 mm e
profundidades de 0,064 a 0,241 mm foram usinados sobre a superfície do revestimento de aço
inoxidável 304 ou 316 de um elemento combustível de reator de potência a metal líquido e
adotados como refletores (descontinuidades) de referência para teste eletromagnético por
correntes parasitas (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991,
Volume 4, part 3, p. 447). Blocos de referência de aço e alumínio com furos de fundo plano são
recomendados por normas internacionais (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND
MATERIALS – ASTM – E- 428, 1992; AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND
MATERIALS – ASTM – E- 127, 1992).
Neste trabalho os refletores de referência utilizados, usinados sobre a superfície de uma
miniplaca combustível, são furos de fundo plano e entalhes. Na FIG. 68 é mostrada a máquina de
eletro-erosão por penetração utilizada para executar a usinagem destes refletores de referência. A
miniplaca combustível utilizada nos experimentos foi identificada como PE 01.
78
FIGURA 68. Máquina de eletro-erosão por penetração para usinagem de padrões artificiais de
referência tais como furos de fundo plano e entalhes.
3.2.2 Procedimentos para determinação da localização e da profundidade dos refletores de
referência usinados sobre a superfície da miniplaca combustível PE 01
3.2.2.1 Ensaio inicial para a identificação de regiões com descontinuidades
Primeiramente foram estabelecidos os tipos e os locais de ocorrência das descontinuidades
naturais possíveis de ocorrer numa placa combustível real: (1) falhas no interior de cada uma das
placas de revestimento; (2) falhas na interface núcleo de UO2/ revestimento aço inox 304; (3)
falhas na interface moldura aço inox 304/placas de revestimento aço inox 304. Na FIG. 69 é
mostrada a miniplaca combustível PE 01, com comprimento, largura e espessura iguais a 520,0
mm x 52,0 mm x 2,4 mm respectivamente, antes da usinagem dos refletores de referência. Pode-
se observar, visualmente, o contorno do núcleo de UO2/aço inox 304. Para se obter um padrão de
referência que representasse da forma mais real possível a situação em uma placa combustível,
retirou-se, por corte no equipamento Discoton, FIG. 70, uma peça de 45 mm de comprimento de
uma das extremidades da miniplaca combustível PE 01.
79
FIGURA 69. Miniplaca combustível PE 01 antes da usinagem dos refletores de referência: furos
de fundo plano e entalhes.
FIGURA 70. Discoton. Equipamento de corte.
Esta peça foi examinada por ultra-som utilizando-se dois cabeçotes, FIG. 71, com sapata plástica
de atraso de 6 mm de comprimento em frente ao cristal piezelétrico de diâmetro 6,35 mm,
fabricados pela Automation Industries e assim identificados: DTZ 57AB920 - 10 MHz e DTZ
57AB985 – 15 MHz. O objetivo desse exame inicial foi de determinar a presença de possíveis
falhas e o local de ocorrência das mesmas. Posteriormente, após a obtenção do padrão de
referência, foram estabelecidas condições do ensaio para maximizar a sensibilidade do mesmo.
80
FIGURA 71. Cabeçotes de ultra som com sapata de atraso (delay line transducer). Esquerda:
DTZ 57AB920 - 10 MHz; Direita: DTZ 57AB985 – 15 MHz.
Com este procedimento foi possível a identificação de regiões com falhas na interface moldura/
revestimento e regiões sem a presença dessas falhas, o que pode ser observado na FIG. 72 e na
FIG. 73. Na FIG. 72, o espaçamento entre os ecos referentes às reflexões de fundo correspondem
a um percurso do feixe sônico no material de 0,50 mm, indicando a presença de uma possível
descontinuidade no caminho do feixe sonoro, próxima à superfície da placa. Na FIG. 73, o
espaçamento entre os ecos referentes às reflexões de fundo correspondem a um percurso do feixe
sônico no material de 2,40 mm, igual à espessura da placa na região do exame, indicando uma
região, a princípio, sem descontinuidades detectáveis. A escala horizontal utilizada, no
equipamento de ultra-som para o exame, foi de 10 mm.
FIGURA 72. Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som correspondendo a uma uma
descontinuidade a 0,50 mm de profundidade na placa combustível.
81
FIGURA 73. Ecos múltiplos obtidos no equipamento de ultra-som referentes à espessura da placa
combustível na região de exame.
3.2.2.2 Preparação de amostras metalográficas das regiões da miniplaca com e sem
descontinuidades
Após o exame por ultra-som, a peça foi seccionada em duas regiões distintas. Uma delas na
região onde se detectou a presença da descontinuidade próxima à superfície e a outra em uma
região isenta de descontinuidades. As amostras resultantes foram embutidas em baquelite e
identificadas como embutimentos B e A, respectivamente. Os cortes foram realizados no
equipamento de corte Discoton e os embutimentos no equipamento Struers LabPress 3, mostrado
na (FIG. 74). Após o embutimento, estas duas amostras foram atacadas quimicamente com nital
e polidas utilizando-se o equipamento de lixamento e polimento mostrado na (FIG. 75).
FIGURA 74. Equipamento para embutir amostras para exames metalográficos.
82
FIGURA 75. Equipamento para polir amostras metalográficas.
Após preparadas, as amostras foram examinadas no microscópio ótico LEITZ modelo
ORTHOLUX II, para o exame das regiões contendo descontinuidades. O exame também se
destinou a localizar, com precisão, as regiões de interface revestimento/moldura. Os resultados da
análise obtidos nesta fase foram utilizados para a elaboração do padrão de referência contendo
furos de fundo plano e rasgos.
3.3 Traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçotes de imersão
Antes da execução do ensaio por ultra-som, muitas vezes é vantajoso traçar o perfil do feixe
sonoro emitido pelo cabeçote. Isto permite, graficamente, uma melhor visualização da interação
feixe sonoro/descontinuidade e a identificação de regiões importantes do feixe, como a região
focal (região do feixe com maior sensibilidade para a detecção de descontinuidades) resultando
na determinação, com uma precisão maior, da localização, formato e dimensões das
descontinuidades presentes.
Neste trabalho, a inspeção por ultra-som das miniplacas combustíveis envolveu a utilização dos
dois cabeçotes com sapata plástica de atraso, mostrados na FIG. 71 e mais seis cabeçotes de
imersão, mostrados na FIG. 76. Os dois cabeçotes de contato foram fabricados pela Automation
Industries e são designados como DTZ 57AB 920, de 10 MHz e DTZ 57AB 985, de 15 MHz. O
comprimento das sapatas plásticas de atraso, colocadas na frente do cristal piezelétrico destes
83
dois cabeçotes é de 6 mm. A eficiência destes dois cabeçotes na determinação de falhas na
interface moldura/revestimento já foi comprovada, como mostrado na FIG. 72 e FIG. 73.
Os seis cabeçotes de imersão estão mostrados na (FIG. 76). São eles, a partir da parte superior e
da esquerda para a direita: (1) 1421 Karl Deutsh, 4 MHz, normal sem lente, diâmetro externo
excluindo a espessura da carcaça igual a 15 mm; (2) 1450 Karl Deutsh, 4 MHz, normal sem lente,
diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 7 mm; (3) 1514 Karl Deutsch, 4 MHz,
focalizado em linha, diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 15 mm; (4)
L10ML15 Krautkramer, 10 MHz, focalizado em linha, diâmetro externo excluindo a espessura da
carcaça igual a 8 mm; (5) SIJ 386, Automation Industries, 10 MHz, focalizado em ponto,
diâmetro externo excluindo a espessura da carcaça igual a 9 mm; (6) DIZ 57A8919, Automation
Industries, 10 MHz, focalizado em ponto ou quase normal, diâmetro externo excluindo a
espessura da carcaça igual a 8 mm.
FIGURA 76. Fotografia dos seis cabeçotes de imersão utilizados nos experimentos.
Dos quatro cabeçotes focalizados, apenas o cabeçote 1514 Karl Deutsch, FIG. 76, parte superior,
terceiro da esquerda para a direita, possui uma lente de plexiglass transparente, colada ao seu
cristal, para obtenção do feixe sonoro focalizado em linha. A focalização em linha e em ponto
para os outros três cabeçotes na parte inferior da FIG. 76 é obtida curvando-se durante a
fabricação, incluindo técnicas de sinterização, os próprios cristais.
84
Tendo em vista a impossibilidade de se determinar matematicamente os raios de curvatura das
lentes e dos cristais destes cabeçotes, os mesmos foram determinados utilizando-se as lâminas de
medidas de raios de curvatura (Radius Gage Mitutoyo) mostradas na (FIG. 77). O valor do raio
de curvatura é lido sobre a lâmina que melhor se ajusta à curvatura.
FIGURA 77. Lâminas (Radius Gage Mitutoyo) para determinação dos raios de curvatura dos
cristais dos 4 cabeçotes de imersão focalizados ( 4º ao 6º na seqüência) mostrados na FIG. 76.
3.3.1 Procedimentos para traçar o perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote de imersão
utilizando o equipamento XYZ
Na FIG. 58 do item 2.10.14 - Traçado do perfil do feixe sonoro num tanque de imersão - é
apresentado um esquema do equipamento XYZ para executar o traçado do perfil do feixe sonoro
emitido por cabeçotes de ultra-som. Um equipamento similar foi construído e montado no
Laboratório de Ensaios Não Destrutivos do CDTN, conforme mostrado na (FIG. 78). Como já
mencionado, ele possibilita a obtenção do perfil do feixe sonoro de maneira mecânica e não por
método ótico, princípio de Huygens. Os procedimentos para obtenção do feixe sonoro também
estão descritos no item 2.10.14 da pesquisa bibliográfica. A seguir estão descritos estes
procedimentos, utilizando especificamente o equipamento XYZ da FIG. 78. Na FIG. 79
apresentam-se, de forma esquemática, as direções de varredura do cabeçote e a região focal dos
cabeçotes, onde deverão ser posicionadas as placas para a realização dos exames.
85
O cabeçote, preso a um suporte, é ajustado de tal modo que emita o feixe sonoro na direção Z
perpendicular ao refletor (esfera, broca ou arame) colocado no fundo do pequeno tanque de
acrílico (aquário) sobre a mesa XY. O feixe sonoro do cabeçote pode, assim, varrer o refletor nas
distancias X e Y e em diversas distâncias Z entre o cabeçote e o refletor.
A distância focal F (cabeçotes focalizados) ou o comprimento N do campo próximo (cabeçotes
normais) são obtidos quando se variam as coordenadas XYZ até se obter eco máximo
proveniente do refletor no fundo do aquário. Neste ponto, a distância Z, lida no relógio
comparador do traçador de altura, corresponde à distância focal F ou ao comprimento N do
campo próximo. Mais especificamente, o eco é maximizado movimentando-se o aquário nas
direções X e Y, através dos dois micrômetros X e Y que estão conectados à mesa XY através de
parafusos, até que o cabeçote emita o feixe sonoro exatamente no centro geométrico da esfera.
Neste ponto, garante-se que o eixo central do feixe sonoro está exatamente sobre o refletor. Com
o controle de ganho ajusta-se a altura do eco a 80% da altura da tela (fixar este valor de ganho
não o alterando mais). Este é o ponto 0 (zero) de origem. Então, movimenta-se o aquário na
direção +X até que o eco do refletor caia a 40% (metade de 80%) da altura da tela, registrando-se
as correspondentes distâncias +X lidas nos micrômetros. Retorna-se o aquário até o ponto 0
(zero) e a altura do eco fica novamente a 80% da altura da tela. Movimenta-se o aquário na
direção –X até que o eco do refletor caia a 40% da altura da tela, registrando-se as
correspondentes distâncias -X lidas nos micrômetros. No eixo Z executam-se os mesmos
movimentos, maximizando-se o eco no centro geométrico da esfera e movimentando-se nos
sentidos +Z e –Z e lendo-se no relógio comparador a distância em que este eco máximo
permaneceu em 80% da altura da tela sem começar a decrescer.
86
FIGURA 78. Equipamento XYZ para traçar o perfil de feixes ultra-sônicos de cabeçotes de
imersão. Ver esquema na (FIG. 58).
FIGURA 79. Movimentação do cabeçote nas coordenadas XYZ sobre os alvos refletores (esfera,
pino ou arame) para traçar o formato do volume focal ultra-sônico em cujo comprimento ∆Z
deverão ser inseridas placas combustível para serem inspecionadas.
Portanto, com o equipamento XYZ da FIG. 78, determinam-se os seguintes parâmetros:
= N → Comprimento do campo próximo (cabeçotes planos ou normais)
Z1
= F → Distância focal (cabeçotes focalizados)
87
∆Z = Z2 - Z1 = Comprimento focal
Dfx6 = -X – (+X) = Diâmetro focal de valor médio na direção X
Dfy6 = -Y – (+Y) = Diâmetro focal de valor médio na direção Y
As miniplacas combustíveis, conforme mostrado na FIG. 79, possuindo uma espessura fina de
2,40 mm, serão colocadas no interior dos limites do comprimento ∆Z do foco do feixe sonoro no
teste ultra-sônico por imersão.
3.3.2 Estabelecimento dos critérios para seleção dos diâmetros das esferas de aço usadas
como refletores no traçado do perfil do feixe ultra-sônico de cabeçote de imersão
Os procedimentos adotados para se estabelecer os diâmetros de 5 mm e 12,7 mm como referência
para os alvos refletores (esferas de aço) para se determinar o formato do feixe sonoro ultra-sônico
de cabeçotes num tanque de imersão estão descritos a seguir.
Foram feitas diversas tentativas sem sucesso, de se usar, como alvo, uma esfera de aço de caneta
esferográfica (diâmetro ≈ 0,030” a 0,050” ou, respectivamente, 0,76 mm a 1,27 mm. Como a
esfera é muito pequena, houve a necessidade de se estabelecer no equipamento uma sensitividade
(ganho) muito alto para possibilitar a sua detecção. Isto, além de gerar muito ruído, fez com que
os ecos provenientes da esfera se comportassem de maneira irregular durante a varredura da
mesma nas direções XYZ. Assim, não foi possível determinar, com precisão, o perfil ou formato
do foco do feixe sonoro, sendo que o próprio comprimento focal foi visto, na tela do
equipamento, maior do que o real (20 mm ao invés dos reais 15 mm), principalmente com o
cabeçote normal plano 1450 – Karl Deutsch – 4 MHz e o cabeçote 1421 – Karl Deutsch – 4
MHz, sendo que este último, por ter um diâmetro maior, detectou também o suporte da esfera e o
fundo do aquário com alturas de ecos muito maiores do que a altura do eco proveniente da esfera.
Há um relato de um experimento executado com cabeçotes esfericamente focalizados (formato
do foco é um círculo) pelo AEC Hanford Laboratories usando um alvo esfera de caneta
esferográfica diâmetro = 0,029” (0,74 mm) e um outro experimento da Automation Industries
Inc. usando um alvo esfera de diâmetro = 0,039” (1,00 mm) e cabeçote de cristal sulfato de lítio
88
esfericamente focalizado, freqüência = 15 MHz ; diâmetro do cristal = 3/16” = 4,76 mm ;
curvatura da lente = 1 radiano (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,
ULTRASONIC TESTING, 1967, p. 6-6 e 6-8).
Um outro relato de teste de imersão também não informa os procedimentos a serem adotados
para se estabelecer as dimensões e o formato dos alvos refletores. Menciona apenas uma pequena
esfera como alvo refletor, sem fornecer as dimensões desta esfera (BERKE, M., 1985, Chapter 3,
p. 4 e 5)
Na pesquisa bibliográfica, item 2.10.3.1, cita-se uma publicação mencionando o uso de um arame
de face plana como alvo refletor, afirmando que a precisão deste método é dependente do crítico
alinhamento perpendicular deste alvo em relação ao eixo acústico varrendo-o no plano X-Y.
Devido a isto, os dados resultantes representam uma média das varreduras em linha ao invés de
varreduras ponto a ponto da face plana ou seção transversal do arame. Nesta mesma publicação, é
apresentado um exemplo com cabeçote de 10 MHz – diâmetro do cristal 1/2” (12,7 mm) e que
apenas um segmento de 3,2 mm deste cristal (quarta parte de 12, 7 mm) recebe de volta o som
refletido pela esfera alvo, cuja superfície curva especular reflete o som incidente em várias
direções, retornando pouco som ou pouca energia ao cristal do cabeçote. No final há um
experimento com um cabeçote de diâmetro 3/8” (9,52 mm), posicionado a uma distância de 15,2
mm de um alvo esfera. Nos três casos, esta publicação não fornece as dimensões dos arames e
das esferas utilizados como alvos refletores e nem os procedimentos para estabelecê-los
(MANSOUR, T. M., 1979, p.50 a 52).
Há ainda, menção de execução de curva amplitude/distância utilizando uma esfera de diâmetro
1/2" (12,70 mm) imersa em água (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION,
ULTRASONIC TESTING, 1967, p. 5-10).
As esferas utilizadas como alvos refletores devem ser de precisão, particularmente quando se
utilizam cabeçotes focalizados. No caso de cabeçotes focalizados, o diâmetro da esfera deve ser
tão pequeno quanto possível. Como a esfera tem superfície côncava especular, nem toda a sua
superfície reflete de volta ao cabeçote o som incidente, que é refletido em várias direções,
89
retornando apenas uma pequena porção do feixe sonoro ao cabeçote. O tamanho da superfície
refletora efetiva da esfera é bem pequeno, ou seja, menor que 1/4 λ, na freqüência de vibração do
cristal. Por exemplo, no teste de imersão, um cabeçote focalizado de 4 MHz possui um
comprimento de onda λ = v/f = 1,48 km/s / 4 MHz = 0,37 mm. Um quarto deste comprimento de
onda = 0,0925 mm = 92,5 µm que é o tamanho da superfície refletora efetiva da esfera. Para
cabeçotes focalizados de maior freqüência, por exemplo, (a) 10 MHz, λ = v/f = 1,48/10 = 0,148
mm, λ/4 = 0,037 mm = 37 µm é o tamanho da superfície refletora efetiva da esfera e (b) 15 MHz,
λ = v/f = 1,48/15 = 0,0986 mm, λ/4 = 0,025 mm = 25 µm é o tamanho da superfície refletora
efetiva da esfera. Este tamanho reduzidíssimo, menor que λ/4 , da superfície refletora efetiva da
esfera, para os cabeçotes focalizados, evita distorção de freqüência e influência indevida do alvo
na medida do feixe sonoro. Por isso, como já mencionado, as esferas têm que ser de precisão.
Quanto aos cabeçotes normais ou planos de diâmetros maiores, um alvo refletor de esfera pode
não oferecer amplitude de sinal adequada para executar o registro ou traçar o perfil do feixe
sonoro. Neste caso, utiliza-se um pino de face plana, tão pequeno quanto possível, desde que o
cabeçote se mantenha perpendicular à superfície plana durante a aquisição de dados. Com os
refletores em forma de esfera obtém-se melhores resultados porque eles eliminam a dificuldade
de se manter o cabeçote perpendicular à face plana do pino. Os refletores se classificam de dois
modos: (a) pequenos quando comparados com o tamanho do feixe sonoro que se está medindo
(b) aproximada ou grosseiramente iguais, em tamanho, às reais descontinuidades que se espera
detectar. Como exemplo, um refletor tipo pino circular com área plana de seção transversal
correspondente a 1/8 do diâmetro do cristal utilizado para testar cabeçotes que possuem a
finalidade de detectar grandes imperfeições. Exemplo: Diâmetro do cristal = 1/2" = 12,70 mm;
Diâmetro do pino = 1/8 de 12,70 mm = 1,60 mm. A regra:
Selecionar um refletor tão pequeno quanto possível e que ainda produza níveis de sinal
adequados para registrar ou executar o traçado do perfil do feixe sonoro (GENERAL
DYNAMICS, 1967, p. 6-7)
é a conclusão do texto (GENERAL DYNAMICS – CONVAIR DIVISION, ULTRASONIC
TESTING, 1967, p. 6-6 a 6-12)
90
Os fatos expostos justificam a decisão de se adotar na metodologia os valores de 5,00 mm e 12,70
mm (1/2”) para os diâmetros dos alvos refletores de esferas de aço com a finalidade de traçar o
formato dos feixes sonoros dos cabeçotes de imersão usados neste trabalho.
Então, utilizando o equipamento XYZ da FIG. 78 com as esferas de diâmetros 5,00 mm e 12,70
mm, foram traçados os perfis dos feixes sonoros dos seis cabeçotes, mostrados na FIG. 76,
obedecendo aos procedimentos elencados no item 3.3.1. À exceção do cabeçote normal de
imersão 1421 Karl Deutsch, cujo feixe sonoro foi determinado apenas com o diâmetro de 12,70
mm da esfera de aço, para cada cabeçote foram traçados dois formatos de feixes sonoros. Um
formato de feixe sonoro obtido com o alvo refletor esfera de diâmetro 5,00 mm e o outro com a
esfera de diâmetro 12,70 mm.
3.3.3 Regra empírica para determinação aproximada do diâmetro efetivo Deff do cristal do
cabeçote de ultra-som quando não se conhece o diâmetro real D0
Após conseguir determinar o ponto do alvo refletor no qual a intensidade do eco é máxima,
desloca-se a seguir o cabeçote para ambos os lados, ou seja, nas direções –X/+X e –Y/+Y, até
que o eco se reduza à metade da sua altura máxima adotada, de 80% da altura da tela. Estes
pontos correspondem a uma redução de 6 dBs na intensidade do eco. A distância entre estas duas
posições é denominada “Diâmetro de Valor Médio”.
Os valores Dfx6 e Dfy6 são denominados diâmetros focais de valor médio. O diâmetro D0 do
cristal, se não fornecido em catálogo de cabeçotes ou na falta destes, não pode ser determinado
medindo-se externamente com um paquímetro ou micrômero, pois o cristal, geralmente, não é
visto externamente. Na prática, devido a observação no traçado de perfis de feixes sonoros de
cabeçotes ultra-sônicos, chegou-se a um cálculo aproximado empírico do diâmetro D0 ou D do
cristal, confirmado também nos catálogos de cabeçotes dos fabricantes. Para isto, multiplica-se o
fator aproximado 0,67 pelo diâmetro externo do cabeçote (excluindo a espessura da carcaça). O
diâmetro efetivo do cristal Deff, que determina a área acusticamente efetiva do mesmo, é menor
que o diâmetro real D0 do cristal, pois o cristal num cabeçote é amortecido lateralmente devido ao
modo como ele é preso ou colado, fazendo com que a superfície inteira do mesmo não oscile com
91
a mesma amplitude. A amplitude da oscilação cai em direção à borda do cristal. O Deff de um
cristal circular é calculado conforme a seguinte equação (KRAUTKRÄMER GMBH –
SMITHKLINE COMPANY, 1979, item 6 ).
eeff f
cND .4= (29)
ou de modo mais simples,
Deff ≈ 0,97 x D0 (30)
sendo:
N = Comprimento do campo próximo
c = velocidade do som no cristal
fe = freqüência do eco
Pela observação empírica, o procedimento para se determinar o diâmetro efetivo do cristal é
medir com o paquímetro, o Dexterno = diâmetro externo (excluindo a espessura da carcaça) do
cabeçote. Então:
D0 = Dexterno (excluindo a espessura da carcaça) x 0,67
D0 é o diâmetro do cristal piezelétrico e pode ser encontrado nos catálogos (se houver) de
cabeçotes. Depois de se obter D0 calcula-se Deff pela equação ( 30).
3.4 Análise dos fatores de transmissão e reflexão para os feixes ultra-sônicos dos cabeçotes
utilizados no exame por ultra som da interface combustível/revestimento com e sem falha
de ligação.
Em condições ideais, ou seja, sem quaisquer perdas inerentes à rugosidade da superfície e
atenuação sonora devido a diferentes tamanhos de grãos na estrutura, a quantidade de energia que
92
retorna ao cabeçote de ultra-som pode ser extremamente pequena, devido às diferenças nas
propriedades acústicas dos materiais envolvidos. Assim, para a realização deste trabalho,
realizou-se uma análise inicial para avaliar as perdas sonoras possíveis de ocorrer durante o
exame de uma placa combustível, considerando-se a realização de ensaios por imersão e por
contato e a existência ou não de descontinuidades nas interfaces no interior da mesma.
Nas FIG. 80 a 85 são mostrados os pequenos retornos ( 0,92% a 1,44%) das ondas sonoras ao
cabeçote após penetrar na miniplaca combustível e incidir nas diversas interfaces apresentadas.
Para o cálculo dos fatores de reflexão R e transmissão foram utilizadas as equações (23) e (24).
Nas FIG. 80 e 81 são mostrados, respectivamente, o exame ultra-sônico por imersão e por contato
de uma miniplaca combustível sem falha de ligação entre núcleo combustível/revestimento.
Observa-se, respectivamente, que apenas 1,27% e 0,92% da energia incidente retornam ao
cabeçote. Nas FIG. 82 e 83 são mostradas, respectivamente, a inspeção ultra-sônica por imersão e
contato de uma miniplaca combustível com falhas de ligação núcleo combustível/revestimento
inferior. Observa-se, respectivamente, que apenas 1,44% e 0,92% da energia incidente retornam
ao cabeçote. Nas FIG. 84 e 85 são apresentados, respectivamente, a inspeção ultra-sônica por
imersão e contato de uma miniplaca combustível e os correspondentes descolamentos núcleo
combustível/revestimento superior. Observa-se, respectivamente, que apenas 1,44% e 0,92% da
energia incidente 100% retornam ao cabeçote.
Esta análise é importante para subsidiar o planejamento dos exames por ultra-som e a avaliação
do nível de sensibilidade possível de ser obtido no ensaio.
93
88%
1,27%
9,29%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
ÁGUA ÁGUA
12%
12%
12%
10,56%
10,56%
1,44%
ÁGUA ÁGUA
100%
CABEÇOTE DE IMERSÃOULTRA-SOM
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLA
CA
CO
MB
US
TÍV
EL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
FIGURA 80. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra-som por imersão numa miniplaca combustível
sem falha na ligação combustível/revestimento.
16%
0,92%
8,5%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
84%
9,6%
9,6%
9,6%
9,6%
100%
ULTRA-SOMCABEÇOTE NORMAL DE CONTATO
COM SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE TRANSDUCER)
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLAC
A C
OM
BUST
ÍVEL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
ÓLEO ACOPLANTE
9,6%
1,1%
62,5%
74,4%
PLEX
IGLA
SS
AR
SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE)
FIGURA 81. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra-som por contato numa miniplaca combustível
sem falha na ligação combustível/revestimento.
94
88%
1,44%
10,56%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
ÁGUA ÁGUA
12%
12%12%
ÁGUA ÁGUA
100%
CABEÇOTE DE IMERSÃOULTRA-SOM
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLA
CA
CO
MBU
STÍV
EL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
AR(DESCOLAMENTO)
12%
FIGURA 82. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca combustível
com falha na ligação combustível/revestimento inferior.
16%
0,92%
8,5%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
84%
9,6%9,6%
100%
ULTRA-SOMCABEÇOTE NORMAL DE CONTATO
COM SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE TRANSDUCER)
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLA
CA
CO
MBU
STÍV
EL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
ÓLEO ACOPLANTE
9,6%
1,1%
62,5%
74,4%
PLE
XIG
LASS
AR
SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE)
9,6%
AR(DESCOLAMENTO)
FIGURA 83. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca combustível
com falha na ligação combustível/revestimento inferior
95
88%
1,44%
10,56%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
ÁGUA ÁGUA
12%
ÁGUA ÁGUA
100%
CABEÇOTE DE IMERSÃOULTRA-SOM
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLA
CA
CO
MB
US
TÍV
EL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
AR(DESCOLAMENTO)
12%
FIGURA 84. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por imersão numa miniplaca combustível
com falha na ligação combustível/revestimento superior.
16%
0,92%
8,5%
UO2 / INOX
AÇO INOX 304
AÇO INOX 304
84%
100%
ULTRA-SOMCABEÇOTE NORMAL DE CONTATO
COM SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE TRANSDUCER)
REVESTIMENTO
REVESTIMENTO
NÚCLEO COMBUSTÍVEL (MEAT)
PLA
CA
CO
MB
US
TÍV
EL
PLACAS COLADAS(SEM DESCOLAMENTO)
ÓLEO ACOPLANTE
9,6%
1,1%
62,5%
74,4%
PLE
XIG
LAS
S
AR
SAPATA DE ATRASO(DELAY LINE)
9,6%
AR(DESCOLAMENTO)
FIGURA 85. Fatores de transmissão e reflexão relativos às pressões das ondas ultra-sônicas
transmitidas (%) e refletidas (%) no teste de ultra som por contato numa miniplaca combustível
com falha na ligação combustível/revestimento superior.
96
4 RESULTADOS
4.1 Placa combustível
A placa combustível fabricada para a realização dos experimentos pode ser observada na FIG. 86.
FIGURA 86. Miniplaca obtida para a realização dos experimentos identificada como PE 01.
Na FIG. 87 é apresentada a radiografia da placa PE 01, mostrando o contorno ovalado do núcleo
após laminação da miniplaca combustível até atingir a espessura final de 2,40mm.
FIGURA 87. Radiografia mostrando o contorno ovalado do núcleo UO2/aço inox 304 da
miniplaca combustível PE 01 pós-laminação. Não foi detectada a falha na ligação (bonding
failure) combustível/revestimento dentro do contorno ovalado.
97
Esta radiografia foi executada com o tubo de Raios-X de tensão máxima 300 KVp, FIG. 88,
ajustado com os seguintes parâmetros: tensão 150 KVp, corrente 4 mA ; tempo de exposição 3
minutos; distância fonte-filme 70 cm. A radiografia não detecta as falhas de ligação (bonding
failure) revestimento/moldura e revestimento/cerne combustível.
FIGURA 88. Tubo de raios-X de tensão máxima 300 Kvp
4.2 Análises das amostras metalográficas retiradas da placa combustível PE 01
4.2.1 Amostras metalográficas
As amostras metalográficas obtidas a partir da placa PE 01, selecionadas após o ensaio ultra-
sônico inicial, denominadas embutimento A e embutimento B, podem ser observadas na FIG 89.
No embutimento A, FIG. 89 (a), a amostra à esquerda (amostra à direita é descartada porque não
é a amostra da miniplaca combustível PE 01) não apresenta qualquer falha na ligação visível na
amostra. No embutimento B, FIG. 89 (b), a amostra apresenta falhas na ligação, visíveis a olho
nu.
O Embutimento A e o embutimento B foram examinados no microscópio ORTHOLUX II POL
BK LEITZ WESTLAR GERMANY, mostrado na FIG. 90, com a finalidade de se medir a
espesssura do revestimento da placa onde ocorreu a falha de ligação moldura/revestimento,
visível a olho nu.
98
(a) (b)
Figura 89. Embutimento A, não apresentando falha na ligação moldura/revestimento visível a
olho nu (a) e embutimento B, apresentando falha na interface moldura/revestimento visível a
olho nu (b).
FIGURA 90. Microscópio ORTHOLUX II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY.
Durante o exame, realizado com um aumento de 100 vezes, foram identificadas “falhas de
ligação” que não estavam visíveis a olho nu e nem foram detectadas no exame inicial por ultra-
som, como mostrado na (FIG. 73). A posição dessas falhas nas amostras está representada,
esquematicamente, pelas linhas pontilhadas nas FIG. 91 e 92, relativas aos embutimentos A e B
da FIG. 89. A linha cheia, na FIG. 92, corresponde á falha visível a olho nu e não detectada por
ultra-som.
99
"FALHA NA LIGAÇÃO" NÃO VISÍVEL A OLHO NUE NEM DETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM.DETECTADA NO MICROSCÓPIO - AUMENTO 100x
FIGURA 91. Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento A.
FALHA NA LIGAÇÃO VISÍVEL A OLHO NUDETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM
"FALHA NA LIGAÇÃO" NÃO VISÍVEL A OLHO NUE NEM DETECTADA NO TESTE POR ULTRA-SOM.DETECTADA NO MICROSCÓPIO - AUMENTO 100x
FIGURA 92. Representação da imagem microscópica (aumento 100x) do embutimento B.
Os revestimentos em ambos os embutimentos, após o exame ao microscópio, foram localizados e
identificados da seguinte forma: revestimentos 1A e 2A, no embutimento A e revestimentos 1B e
2B, no embutimento B. Esta identificação também pode ser observada nas figuras esquemáticas
das amostras.
4.2.2 Medição da espessuras dos revestimentos nos embutimentos A e B
A TAB. 4 apresenta as medidas de espessura dos revestimentos 1A e 2A, do embutimento A e
dos revestimentos 1B e 2B, do embutimento B, feitas utilizando-se o microscópio ORTHOLUX
II POL BK LEITZ WESTLAR GERMANY, nas seguintes condições:
100
- Aumento 100x
- Padrão de vidro com escala em traços utilizados para determinação da calibração. Escala padrão
de medição Carl Zeiss 5 + 100/100mm – West Germany – 1 divisão = 0,01 mm
- Calibração da escala vertical (Eixo Y) mostrou 7 divisões = 0,08 mm (escala da lente do
microscópio verificada durante a calibração).
TABELA 4. Resultados das medições para cada uma das quatro espessuras de revestimento.
Revestimento
Condições
Medida
nº 1
Medida
nº 2
Medida
nº 3
Medida
nº 4
Medida
nº 5
Medida
nº 6
Medida
nº 7
Medida
nº 8
Medida
nº 9
Medida
nº 10
1A
Nº de divisões
(7 div. = 0,08 mm) 42 41 42 42 42 41 41 42 44 43
Espessura
(mm) 0,48 0,47 0,48 0,48 0,48 0,47 0,47 0,48 0,50 0,49
2A
Nº de divisões
(7 div. = 0,08 mm) 41 42 42 41 42 41 42 42 41 41
Espessura
(mm) 0,47 0,48 0,48 0,47 0,48 0,47 0,48 0,48 0,47 0,47
1B
Nº de divisões
(7 div. = 0,08 mm) 58 54 53 48 48 45 46 45 45 47
Espessura
(mm) 0,66 0,62 0,60 0,55 0,55 0,51 0,52 0,51 0,51 0,54
2B
Nº de divisões
(7 div. = 0,08 mm) 55 52 47 44 41 43 43 45 46 45
Espessura
(mm 0,63 0,59 0,54 0,50 0,47 0,49 0,49 0,51 0,52 0,51
As medidas apresentadas na TAB. 4 pertencem, em estatística, ao quadro de variáveis aleatórias
contínuas, já que envolvem mensuração e não ao quadro de variáveis aleatórias discretas, que
envolvem contagens para obtenção de resultados. Nos cálculos estatísticos para variável aleatória
contínua, foram utilizados os conceitos de distribuição normal N (µ, σ) caracterizada pela média
µ e desvio padrão σ, estimativas de intervalos de confiança 1 – α e risco α (nível de
significância) igual a 0,05 (5%), que é o risco que um experimentador está disposto a correr de
que o intervalo de confiança 1 – α não conterá entre seus limites o verdadeiro valor do parâmetro.
O valor da média para cada um dos revestimentos analisados e o intervalo de confiança para a
média de cada um dos revestimentos, 1A, 2A, 1B e 2B, utilizando a distribuição t de Student são
apresentados na TAB. 5. A determinação destes valores está no Apêndice D.
101
TABELA 5. Resultados obtidos para a média e o intervalo de confiança da média para a espessura ds revestimentos 1A, 1B, 2A e 2B.
Revestimento Média (µ) Intervalo de Confiança
1A 0,48 0,47 ≤ µ ≤ 0,49
2A 0,48 0,48 ≤ µ ≤ 0,50
1B 0,56 0,52 ≤ µ ≤ 0,59
2B 0,53 0,49 ≤ µ ≤ 0,56
Baseado nos resultados obtidos para as espessuras dos revestimentos e pelo tratamento estatístico
realizado, considerou-se razoável a adoção do valor nominal de 0,50 mm para a média das
espessuras com uma tolerância de 0,02 mm. Então, µ = 0,50 ± 0,02 mm. Assim, a espessura de
cada placa de revestimento de aço inoxidável 304 foi considerada como 0,50 +
0,02 mm. A
espessura nominal total da placa combustível, moldura mais duas placas de revestimento, é de
2,40 mm.
O desenho esquemático da placa está representado na FIG. 93 e foi utilizado como referência
para o posicionamento dos refletores de referência na placa, para que a mesma fosse utilizada
como padrão de referência.
REVESTIMENTO (AÇO INOXIDÁVEL)
MOLDURA (AÇO INOXIDÁVEL)
REVESTIMENTO (AÇO INOXIDÁVEL)
0,50 ± 0,02
0,50 ± 0,02
1,40 ± 0,02
FIGURA 93. Espessuras dos componentes da miniplaca combustível PE 01.
102
4.3 Localização e dimensões dos refletores de referência furos de fundo plano e entalhes
sobre a miniplaca PE 01
Foram usinados na placa PE 01, por eletro-erosão, um total de 30 refletores, sendo doze furos de
fundo plano e dezoito entalhes. Os diâmetros dos furos de fundo plano são: furos nº 1, 2 e 6,
diâmetro 2,50 mm; furos nº 3, 7 e 10, diâmetro 3,00 mm; furos nº 5 e 9, diâmetro 2,00 mm; furos
nº 4, 8 e 11, diâmetro 4,500 mm e furo nº 12, diâmetro 5,00 mm. A posição dos furos e entalhes
na placa PE 01, bem como a profundidade dos mesmos pode ser observada de forma esquemática
na FIG. 94 e na FIG. 95. As dimensões dos entalhes estão apresentadas na FIG. 95. As duas
superfícies da placa foram identificadas como A e B, sendo que superfície A corresponde à
superfície sobre a qual estão indicados os números referentes a cada um dos refletores de
referência presentes na mesma.
0 X
YZ
1 2 3 4 5 6 7 8
9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28 29 30
SUPERFÍCIEA
FIGURA 94. Esquema da numeração 1 a 30 dos furos de fundo plano e entalhes sobre a
superfície A da miniplaca combustível PE 01. Ver quadro na FIG. 115.
MOLDURA
REVESTIMENTO
0,50 ± 0,02
0,50 ± 0,02
1,40 ± 0,02
CABEÇOTE(ULTRA-SOM)
FUROS 1 a 4
FUROS 5 a 8
FUROS 9 a 12
EN
TALH
ES
13
a 1
5 (L
argu
ra 0
,10)
22 a
24
(Lar
gura
0,2
0)
EN
TALH
ES
16
a 1
8 (L
argu
ra 0
,10)
25 a
27
(Lar
gura
0,2
0)
EN
TALH
ES
19
a 2
1 (L
argu
ra 0
,10)
28 a
30
(Lar
gura
0,2
0)
SUPERFÍCIE A
SUPERFÍCIE B
FIGURA 95. Esquema mostrando o corte transversal, no sentido da espessura, da localização,
diâmetros, profundidades, comprimentos e larguras dos furos de fundo plano e entalhes sobre a
miniplaca combustível PE 01 da FIG. 94. Ver quadro na FIG.115..
103
Na FIG. 96 é apresentada a foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e
entalhes usinados sobre a superfície B. Na FIG. 97 é mostrada a foto da miniplaca combustível
com numeração 1 a 30 na superfície A, identificando a posição dos furos e entalhes. Na FIG. 89
é mostrado esquema da numeração 1 a 30 dos furos e entalhes sobre a superfície A da miniplaca
combustível.
FIGURA 96. Foto da miniplaca combustível PE 01 com os furos de fundo plano e entalhes
usinados pela superfície B.
FIGURA 97. Numeração 1 a 30 na superfície A da miniplaca combustível PE 01 identificando os
furos de fundo plano e os entalhes. Ver quadro na FIG. 115.
As distâncias a partir da superfície A da placa PE 01 até os fundos dos furos de fundo plano e
fundos dos entalhes, ou seja, comprimento do percurso do feixe sonoro desde a superfície A da
miniplaca combustível até os fundos dos furos e entalhes foi designada pela letra A. Como
mostrado na FIG. 95, os valores de A são 0,50 mm; 1,90 mm; 0,40 mm; 2,15 mm, 1,20 mm e
0,25 mm.
104
4.4 Caracterização dos perfis dos feixes ultra-sônicos dos cabeçotes de imersão com alvo de
esferas de 5,00 mm e 12,70 mm
Na FIG. 20, item 2.10.3 da pesquisa bibliográfica, é apresentada a fotografia do feixe sonoro com
seu lobo central e lobos laterais. O lobo central, maior pressão acústica, também define o menor
diâmetro focal LD (também chamado limite de difração ou Airy disk of the first order) que se
pode obter. Na FIG. 21 é ilustrado o Princípio de Huygens; na FIG. 22 são mostradas as pequenas
ondas “wavelets” saindo das “aberturas” do cristal do cabeçote e a resultante é onda plana e,
finalmente, na FIG. 24, item 2.10.4 – Difração – é mostrada a difração em aberturas. No
Apêndice C – Fabricação e teste de lentes acústicas - e nos onze quadros nas FIG. 98 a 108, é
apresentado o menor diâmetro focal DL que é calculado pela equação rFDL λ22,1= , onde λ =
comprimento de onda na água; F = distância focal; r = raio de abertura da lente. Num teste por
imersão, um cabeçote focalizado de freqüência f = 10 MHz emite um feixe sonoro na água , Vágua
= 1,48 km/s, cujo comprimento de onda mmfVágua 148,01048,1 ===λ . Sendo a distância
focal F = 25 mm na água, e o raio de abertura da lente r =13 mm, tem-se
mmDL 35,01325.148,0.22,1 == . Este é o menor diâmetro focal que pode ser obtido. Quando o
cabeçote possui baixa freqüência igual a 1 MHz, o comprimento de onda
mmfVágua 48,1148,1 ===λ , então para r =13 mm e F = 25 mm, tem-se
mmDL 5,31325.48,1.22,1 == . Observa-se que em cabeçote com freqüência baixa, igual a 1
MHz, o menor diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura
igual a 13 mm em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande, tornando difícil a
detecção de pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor
diâmetro focal restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências.
Nos onze quadros das FIG. 98 a 108 são apresentados, ainda, os formatos dos feixes sonoros dos
seis cabeçotes de imersão utilizados neste trabalho e outras características relacionadas ao cristal
do cabeçote, lentes acústicas, menor diâmetro focal DL (limite de difração) e fatores de
transmissão e reflexão (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING,
1991,Volume 7, Seção 8, Part 9, p. 261).
105
EPOCH II Aparelho
Panametrics
100 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm (1/2”)
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
47,8 dB
D1 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
48
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
58
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
10
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,625
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,50
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
3,125
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,50
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,95
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
3,15
•
Cabeçote
1421 Karl Deutsch
4 MHz Normal
Sem lente Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 15 mm
D0≈0,67Dext.
10 mm
Deff≈0,97D0 9,50 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-
mento do campo
próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) - Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
= 61 → 61 Z2 = 58 V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = --- → --- --- V2 = velocidade do ultra som na lente
Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= → --- --- 3,125 3,15 F = comprimento focal na água
Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t = 0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t) ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = r2 = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass
22
2 TF
DGP λπ
=
Z2 = impedância acústica material lente → --- --- GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
20 40 60 80 100
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
48 58
Z1 Z2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
(Dfx6 + Dfy6)/2
FIGURA 98. Perfil feixe/características 1421 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.
106
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
5 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
50,2 dB
D2 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
13,50
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
16,50
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
4,00
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
2,50
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
2,50
•
Cabeçote
1450 Karl Deutsch
4 MHz Normal
Sem lente Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 7mm
D0≈0,67Dext.
4,70 mm
Deff≈0,97D0 4,50 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-
mento do campo
próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
= 13,65 → 13,65 Z1 =13,50 V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = --- → --- --- V2 = velocidade do ultra som na lente
Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= ----------- -- -- 2,50 2,50 F = comprimento focal na água
Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t = 0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t) ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass
22
2 TF
DGP λπ
=
Z2 = impedância acústica material lente → --- --- GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 20 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
13.5 16.5
Z1 Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
FIGURA 99. Perfil feixe/características 1450 Karl Deutsch - 4MHz – Esfera 5 mm.
107
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm (1/2”)
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
41,70 dB
D3 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
12
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
16
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
4
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
2,50
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,00
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,00
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
2,00
•
Cabeçote
1450 Karl Deutsch
4 MHz Normal
Sem lente Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 7 mm
D0≈0,67Dext.
4,70 mm
Deff≈0,97D0 4,50 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-
mento do campo
próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
= 13,65 → 13,65 Z1 =12 V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = --- → --- --- V2 = velocidade do ultra som na lente
Dfx6 Dfy6 Dfx6 Dfy6 N = comprimento campo próximo na água rFDL λ22,1= → -- -- 2,50 2,00 F = comprimento focal na água
Rc = --- r = --- Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t =espessura da lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t) ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente DL = menor diâmetro do ponto focal T = coeficiente de transmissão R = coeficiente de reflexão Z1 = Impedância acústica da água Sulfato lítio Plexiglass
22
2 TF
DGP λπ
=
Z2 = impedância acústica material lente → --- --- GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 20 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
12 16
Z1 Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
FIGURA 100. Perfil feixe/características1450 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.
108
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm (1/2”)
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
38,3 dBs
D4 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
19,50
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
21,50
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
2
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,75
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,75
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
1,50
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
3,75
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,625
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
5,375
•1514
Cabeçote
Karl Deutsch 4 MHz
Focalizado em linha
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 15 mm
D0≈0,67Dext.
10 mm (Visível atra-vés da prote-ção plástica transparente
curva)
Deff≈0,97D0 9,50 mm
•NotaçõesD0 =Diâmetro
*
do cristal N = compri-
mento do campo
próximo F = distância
focal *Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 20 → 20,00 Z1 = 19,50 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.37x(20 e 19,50)/7,50 1,20 DL =1,17 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,50 Rc = 10 (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 7,50 Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t) ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F = 19,50) 24,44 21,10 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
19.5
Z1 Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
21.5
FIGURA 101. Perfil feixe/características1514 Karl Deutsch-4MHz–Esfera 12,7 mm.
109
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
5 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
44,2
D5 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
19
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
21
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
2
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,45
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,45
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
0,90
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
4,125
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
5,375
•1514
Cabeçote
Karl Deutsch 4 MHz
Focalizado em linha
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 15 mm
D0≈0,67Dext.
10 mm (Visível atra-vés da prote-ção plástica transparente
curva)
Deff≈0,97D0 9,50 mm
•NotaçõesD0 =Diâmetro
*
do cristal N = compri-
mento do campo
próximo F = distância
focal *Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = Z2 → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= =20 → 20,00 Z2 = 21,00 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.37x(20 e 19)/7,50 1,20 DL = 1,14 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,90 Rc = 10 (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 7,50 Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= (F=19) → 25,08 21,65 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20,00 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
19
Z1 Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
21
FIGURA 102. Perfil feixe/características 1514 Karl Deutsch - 4MHz –Esfera 5 mm.
110
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
5 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
50,5 dB
D6 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
14
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
17
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
2
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
0,50
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,25
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,55
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
2,80 •
Cabeçote
L10ML15 10 MHz
Focalizado em linha
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 8 mm
D0≈0,63Dext.
5,0 mm
Deff≈0,97D0 4,85 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal 5,0 mm
N = compri-mento do
campo próximo
--- F = distância
focal 15 mm
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 15 → 15 Z2 = 17 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148x (15 e 14)/4 0,677 DL=0,63 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,50 Rc = 7,50 mm (medido c/ lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F=17) 19,94 17,21 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 15 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
14
Z1 Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
17
FIGURA 103. Perfil feixe/características L10ML15-10 MHz – Krautkr. Esfera 5 mm.
111
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm (1/2”)
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
43,7 dB
D7 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
11,50
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
13
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
1,5
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,225
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,225
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
0,45
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
1,875
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,925
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
2,80
•L10ML15 Cabeçote
10 MHz Focalizado em linha
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 8 mm
D0≈0,63Dext.
5,0 mm
Deff≈0,97D0 4,85 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
5 mm
N = compri-mento do
campo próximo
--- F = distância
focal 15 mm
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 15 → 15 Z2 = 13 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148 (15 e 11,5)/4 0,677 DL = 0,52 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,45 Rc = 7,50 mm (medido c/ lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F=11,50) 29,47 25,44 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 15 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
11.5
Z1Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
13 20
FIGURA 104. Perfil feixe/características L10ML15-10 MHz–Krautk. Esfera12,7mm.
112
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
5 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
41,5 dB
D8 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
17
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
18,50
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
1,50
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
0,50
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,25
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
0,50
•
Cabeçote
SIJ 386 10 MHz
Focalizado em ponto
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 9 mm
D0≈0,79Dext.
6,35 mm
Deff≈0,97D0 6,15 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-
mento do campo
próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = --- → 20 Z2 =18,50 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148x(20 e 17)/4,5 0,80 DL = 0,68 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 0,50 Rc = 10 mm (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4,5 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F=17) 25,23 21,78 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
17
Z1Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
18.5 20
FIGURA 105. Perfil/características SIJ 386 – 10 MHz – Automation – Esfera 5 mm.
113
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
40,3 dB
D9 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
18,00
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
19,50
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
1,50
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,625
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,45
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
1,075
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,425
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,625
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
1,05
•
Cabeçote
SIJ 386 10 MHz
Focalizado em ponto
(cristal curvo) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 9mm
D0≈0,79Dext.
6,35 mm
Deff≈0,97D0 6,15 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-
mento do campo
próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = --- → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 20 → 20 Z2=19,5 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148x(20 e 18)/4,5 0,80 DL = 0,72 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,075 Rc = 10 mm (medido com lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água r = 4,5 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= →(F=18) 23,83 20,57 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 20 mm (teórico) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 =3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
18
Z1Z2
(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
19.5
FIGURA 106. Perfil/características SIJ 386 –10 MHz–Automation – Esfera 12,7 mm.
114
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
5 mm
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
52,8 dB
C8 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
31
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
36
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
5
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
1,05
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
1,05
•
Cabeçote
DIZ 57A8919 10 MHz
Praticamente normal
(cristal quase plano – Rc
muito grande) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 8 mm
D0≈0,79Dext.
6,35 mm
Deff≈0,97D0 6,15 mm
•NotaçõesD0 =Diâmetro
*
do cristal N = compri-
mento do campo
próximo F = distância
focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = 64 (se cristal plano) → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 31 → --- Z1 = 31 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148x31/4 --- DL = 1,40 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 = 1,05 Rc = muito grande (impossivel uso lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água Para F=31 (na prática), V1 = 1,48 Km/s e V2 =3,0 km/s⇒Rc = 15,50 mm r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F=31) 10,93 9,43 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 31 mm (na prática) Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
31
Z1 Z2 (Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
36
FIGURA 107. Perfil/características DIZ 57A8919–10 MHz–Automation – Esfera 5 mm.
115
EPOCH II Aparelho
Panametrics
50 mm Escala
Refletor de
Esfera φ = referência
12,70 mm (1/2”)
(Eco máx. da esfera a 80% altura tela)
Ganho
45,3
C9 Memória
Z1 (mm)
F Distân-cia focal
1
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
30
Z2 (mm)
F Distân-cia focal
2
Eco máx. do centro geométri-
co da esfera a
80% altu-ra da tela
35
∆Z (mm)
Compri-mento focal
Z2 – Z1
5
-X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
+X (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
Dfx6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção X
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-X| + |+X|
1,05
-Y (mm)
Determi- nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
+Y (mm)
Determi-nado com o cabeçote na distân-
cia Z2
0,525
Dfy6 (mm)
Diâmetro de valor
médio do foco na
direção Y
Deternina-do com o cabeçote na distân-
cia Z2
|-Y| + |+Y|
1,05
•
Cabeçote
DIZ 57A8919 10 MHz
Praticamente normal
(cristal quase plano – Rc
muito grande) Imersão
•Dimensões
do cabeçote
Dexterno (excluindo a espessura da
carcaça) 8 mm
D0≈0,79Dext.
6,35 mm
Deff≈0,97D0 6,15 mm
•Notações
*
D0 =Diâmetro do cristal
N = compri-mento do
campo próximo
F = distância focal
*Valores for-necidos nos catálogos de
cabeçotes
(O índice 1 se refere à água e o índice 2 se refere ao material da lente) – Medidas em mm Características do cabeçote, envelope do eco, perfil do feixe sonoro, lentes e cálculos comparativos
Teoria Prática
12 4VfDN eff=
λ = comprimento de onda na água = 64 (se cristal plano) → --- --- V1 = velocidade do ultra som na água
( )211 VVRF c −= = 30 → --- Z1 = 30 V2 = velocidade do ultra som na lente
rFDL λ22,1= =1,22x0.148x30/4 --- DL = 1,35 N = comprimento campo próximo na água Dfx6 =1,05 Rc = muito grande (Impossivel uso lâmina Radius Gage) F = comprimento focal na água Para F=30 (na prática), V1 = 1,48 Km/s e V2 =3,0 km/s⇒Rc = 15,00 mm r = 4 mm Sulfato lítio Plexiglass (t =0 efetivamente para
t = espessura lente ≈ 10λágua r pequeno, apesar
de existir valor real > 0 para t). ( )2
21214 ZZZZT += → 99,85% 86,20% Rc = raio de curvatura da lente
( ) ( )2
122
12 ZZZZR +−= → 0,15% 13,80% r = raio de abertura da lente D = 2r = diâmetro de abertura da lente Sulfato lítio Plexiglass do ponto focal
DL = limite de difração ou menor diâmetro
22
2 TF
DGP λπ
= → (F=30) 11,30 9,75 T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão Observação para resultar F = 30 mm Z2 = impedância acústica material lente
: O cristal curvo é de sal sulfato de lítio (V2 = 3,0 km/s) Z1 = Impedância acústica da água
GP = ganho da lente
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
10 30 40 50
Z (mm)
ENVELOPE DO ECO
Z1 Z2(Dfx6 + Dfy6)/2
CABEÇOTE
CRISTAL
FOCO
35
FIGURA 108. Perfil/características DIZ 57A8919–10 MHz–Automation –Esfera12,7 mm.
116
Pode-se observar que o formato dos feixes sonoros obtidos com alvo refletor esfera de aço de
diâmetro 12,70 mm é semelhante ao formato do feixe sonoro obtido com alvo refletor esfera de
aço de 5,00 mm de diâmetro. A diferença substancial é no ajuste de ganho do equipamento, ou
seja, o ganho para estabelecer o eco proveniente do centro geométrico da esfera a 80% da altura
da tela para a esfera de 5,00 mm de diâmetro é maior que para a esfera de 12,70 mm de diâmetro.
4.5 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste ultra-sônico por
imersão
Após a obtenção dos perfis dos feixes sônicos dos cabeçotes, verificou-se que, para estabelecer a
altura do eco proveniente da superfície geométrica da esfera a 80% da altura da tela, o ganho do
equipamento foi maior para a esfera de 5,00 mm de diâmetro do que para a esfera de 12,70 mm
de diâmetro. O valor adotado para a inspeção por ultra-som de miniplacas combustível foi o
maior valor de ganho estabelecido na detecção da superfície geométrica da esfera de diâmetro
5,00 mm. Estes ganhos foram apresentados nos quadros das FIG. 98 a 108.
Adotou-se também outro ganho de referência, ajustando-se o eco proveniente da superfície da
miniplaca a 80% da altura da tela, registrando-se este ganho. Neste caso é mais fácil visualizar a
alteração na altura do eco quando o feixe sonoro incide sobre um refletor de referência ou uma
descontinuidade.
4.6 Determinação da sensitividade (ganho de referência) para o teste ultra-sônico por
contato
No teste por contato, a sensitividade (ganho) foi estabelecida com o eco de fundo da espessura de
2,40 mm da miniplaca combustível colocado a 80% da altura da tela para os cabeçotes normais
com sapata plástica de atraso.
117
4.7 Ensaio inicial por ultra-som da miniplaca PE 01
O primeiro ensaio ultra-sônico realizado na placa PE 01 foi executado para identificar regiões
com e sem descontinuidades existentes na placa, na região entre a moldura e o revestimento, de
forma a fornecer subsídios para o projeto dos refletores de referência incorporados na placa. As
telas típicas, no equipamento de ultra-som, para uma região com descontinuidade (falha na
ligação) e sem descontinuidade podem ser observadas nas FIG. 72 e 73, na descrição da
metodologia.
4.8 Inspeção por ultra som em miniplacas combustível
4.8.1 Identificação do revestimento e da superfície do revestimento da miniplaca PE 01
A placa de revestimento onde estão escritas as identificações 1 a 30 é identificada como
revestimento A e sua superfície externa é chamada de superfície A. Do mesmo modo, a placa de
revestimento do outro lado da miniplaca combustível, é identificada como revestimento B e sua
superfície externa é chamada de superfície B. Identifica-se profundidade A como a distância da
superfície A até o fundo do furo de fundo plano ou até fundo do entalhe ou até uma determinada
profundidade; identifica-se profundidade B como a distância da superfície B até uma determinada
profundidade.
4.8.2 Cabeçotes de contato
Utiliza-se sapata plástica de atraso em frente ao cristal do cabeçote para que dentro dela fiquem
contidos a zona morta e o campo próximo N do feixe sonoro, já discutidos anteriormente,
eliminando ou reduzindo a influência dos mesmos quando se examina peças de espessuras finas.
Mesmo assim, observa-se nas telas das FIG. 109 a 114, utilizando-se os dois cabeçotes com
sapata plástica de atraso mostrados na FIG. 71, que no início da tela ainda aparecem ecos devido
a estas influências, ocupando aproximadamente 0,50 mm da escala horizontal utilizada, de 0 a
10mm. Analogamente, no teste por imersão, a zona morta e o campo próximo N do feixe sonoro,
devem ficar contidos na coluna d’água que separa o cabeçote da peça que está sendo
118
inspecionada. As indicações de descontinuidades nas peças devem sempre ser obtidas com as
mesmas situadas dentro do campo remoto, ou seja, além do comprimento N do campo próximo.
Nas FIG. 81, 83 e 85, são mostrados os feixes sonoros envolvidos no teste de ultra-som por
contato utilizando-se cabeçotes com sapata plástica de atraso numa placa combustível. Verifica-
se que apenas 0,92% da energia sonora emitida pelo cabeçote retornam ao cabeçote após incidir e
penetrar na placa combustível com e sem a presença de descontinuidade ou falha na ligação
combustível/revestimento. Assim, para se obter uma resposta visível na tela, a sensitividade (ou
ganho do instrumento) tem que ser relativamente alta.
Nas inspeções por ultra-som da miniplaca combustível PE 01 e mais duas miniplacas
combustíveis, foram utilizados os cabeçotes DTZ 57AB 920 Automation de 10 MHz e DTZ
57AB 985 Automation de 15 MHz, com sapata plástica de atraso com 6 mm de comprimento em
frente ao cristal.
4.8.2.1 Telas típicas de detecção de ligação e falha na ligação entre moldura e revestimento
e de detecção de furos de fundo plano e entalhes
Nas FIG. 109 a 114 são apresentadas as telas típicas de detecção de ligação e falha na ligação
moldura/revestimento e combustível/revestimento e também as de detecção de furos de fundo
plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01.
FIGURA 109. Tela típica de ligação moldura/revestimento adequada.
119
Neste caso, representa a ligação adequada entre a moldura e o revestimento. O 1º eco de fundo,
referente à espessura da placa, igual a 2,40 mm foi posicionado a 80% da altura da tela com
ganhos no equipamento de 60 dB (10 MHz) e 67 dB (15 MHz). Ver quadro na FIG. 115. Esta
figura é semelhante à FIG. 73 e corresponde ao mostrado no desenho esquemático da FIG. 81. O
teste foi realizado pela superfície A.
FIGURA 110. Tela típica de ligação combustível/revestimento adequada.
No caso, representa a ligação adequada entre o combustível e o revestimento A. O 1º eco de
fundo, referente à espessura da placa, igual a 2,40 mm, aparece situado na escala horizontal na
posição referente a uma espessura de 2,80 mm. Isto ocorre devido à menor velocidade de
propagação do som no urânio (3.200 m/s).
FIGURA 111. Tela típica de falha na ligação combustível/revestimento.
120
Neste caso, falha na ligação combustível/revestimento B. São verificados ecos de fundo múltiplos
referentes à espessura do revestimento. Esta figura é semelhante à FIG. 72 e corresponde ao
esquema mostrado na FIG. 85. O teste foi realizado pela superfície B.
FIGURA 112. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em maior profundidade.
Furo nº 5, diâmetro 2,00 mm, profundidade A = 1,90 mm. Eco explícito do furo a 40% da altura
da tela. Teste pela superfície A.
FIGURA 113. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado em menor profundidade ou
próximo à superfície. Furo nº 2, diâmetro 2,50 mm, profundidade A = 0,50 mm.
Neste caso a detecção é possível pela observação da queda do eco de fundo, de 80% para 50% da
altura da tela.
121
FIGURA 114. Tela típica de detecção de furo de fundo plano situado próximo à superfície e com
diâmetro maior do que 3 mm. Furo nº 4, diâmetro 4 mm, profundidade A = 0,50 mm.
A detecção é possível pela observação da queda do eco de fundo ou perda total do mesmo. No
caso, perda total do eco de fundo.
4.8.2.2 Discussão dos resultados – Cabeçotes de contato
Os resultados obtidos com os cabeçotes normais com sapata plástica de atraso DTZ 57AB 920 –
10 MHz e DTZ 57AB 985 – 15 MHz, apresentados nas imagens das FIG. 109 a 114, estão
representados no quadro da FIG. 115 e nos gráficos das FIG. 116 e 117. O esquema da
numeração 1 a 30 dos furos e entalhes sobre a superfície A da miniplaca combustível PE 01 está
na (FIG. 94). O esquema mostrando o corte transversal da localização, diâmetros, profundidades,
comprimentos e larguras dos furos de fundo plano e entalhes sobre a miniplaca combustível PE
01, da FIG. 94, está na (FIG. 95).
4.8.2.2.1 Detecção de falhas na ligação
Na FIG. 109 é mostrado que, na miniplaca combustível PE 01, não foram encontradas falhas na
ligação entre os revestimentos A e B de aço inoxidável e a moldura de aço inoxidável, com
exceção da encontrada na peça de 45 mm inicialmente retirada da mesma para os estudos iniciais.
Na FIG. 110 é mostrado que o revestimento A de aço inoxidável está ligado adequadamente ao
122
combustível UO2/aço inox. Na FIG. 111 é verificada a falha na ligação entre o revestimento B e o
combustível UO2/aço inox.
4. 8.2.2.2 Exame por ultra som de miniplacas combustível adicionais
Foram examinadas, após a placa PE 01, quatorze miniplacas combustível fabricadas em
condições similares à placa PE 01, com a variação de apenas alguns parâmetros de fabricação. Os
ensaios foram realizados com os dois cabeçotes DTZ 57AB 920 e DTZ 57AB 985 e treze delas
apresentaram falhas na ligação núcleo combustível/revestimento nos dois lados, produzindo a tela
típica de falha na ligação mostrada na (FIG. 111).
4.8.2.2.3 Detecção dos fundos de furos de fundo plano situados em profundidade maior A = 1,90 mm e profundidade menor A = 0,40 mm e A = 0,50 mm
Os furos de fundo plano profundos, profundidade A = 1,90 mm, são realmente detectados como
demonstra o pequeno eco à esquerda do eco de fundo da miniplaca combustível, como mostrado
na tela da (FIG. 112). Os furos de fundo plano rasos, profundidade A = 0,40 a 0,50 mm, somente
são percebidos através da queda ou perda total do eco da superfície de fundo da placa
combustível, como é demonstrado, respectivamente, nas telas das (FIG. 113 e 114).
4.8.2.2.4 Detecção dos entalhes
Nenhum dos entalhes foi detectado pelos cabeçotes DTZ 57AB 920 e DTZ 57AB 985 com
sapatas plásticas de atraso de 6 mm de comprimento.
4.8.2.2.5 Quadro e gráficos apresentando os resultados da inspeção utilizando cabeçotes
normais com sapata plástica de atraso
Na FIG. 115 é apresentado o quadro com os resultados obtidos utilizando-se os dois cabeçotes
DTZ 57AB 920 – 10 MHz e DTZ 57AB 985 – 15 MHz com sapatas plásticas de atraso e os
resultados contidos neste quadro podem ser visualizados nos gráficos das (FIG. 116 e 117).
123
CABEÇOTES COM SAPATA PLÁSTICA DE ATRASO (DELAY LINE TRANSDUCER) Diâmetro do cristal = 6,35 mm (1/4”)
Comprimento da sapata plástica de atraso (delay line length) = 6 mm
Diâ
met
ro (m
m)
Com
prim
ento
(mm
)
Larg
ura
(mm
)
A =
Dis
tânc
ia d
a su
perf
ície
A
até
o fu
ndo
do fu
ro o
u en
talh
e (m
m)
DTZ 57AB 920 - Automation Freqüência 10 MHz
Aparelho EPOCH II–Panametrics:
Memória C1
Ganho de referência: Eco fundo da espessura de 2,40 mm da placa
combustível a 80% da altura da tela 60 dB
DTZ 57AB 985 - Automation Freqüência 15 MHz
Aparelho EPOCH II–Panametrics:
Memória C4
Ganho de referência: Eco fundo da espessura de 2,40 mm da placa
combustível a 80% da altura da tela 67 dB
Queda do eco de
fundo de 80% altura da tela até
Altura do eco
proveniente do furo de fundo plano
Altura do eco proveniente do
entalhe
Queda do eco de
fundo de 80% altura da tela até
Altura do eco
proveni ente do furo de fundo plano
Altura do eco proveniente do
entalhe
Furo 1 2,00 0,50 Indefinido Indefinido Furo 2 2,50 0,50 50% 20% Furo 3 3,00 0,50 35% 10% Furo 4 4,00 0,50 20% 0% Furo 5 2,00 1,90 10% 40% Furo 6 2,50 1,90 20% 60% Furo 7 3,00 1,90 30% 80% Furo 8 4,00 1,90 60% 80% Furo 9 2,00 0,40 Indefinido Indefinido Furo 10 3,00 0,40 40% 30% Furo 11 4,00 0,40 20% 20% Furo 12 5,00 0,40 0% 10% Entalhe 13 4,00 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 14 3,25 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 15 2,50 0,10 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 16 4,00 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 17 3,25 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 18 2,50 0,10 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 19 4,00 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 20 3,25 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 21 2,50 0,10 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 22 4,00 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 23 3,25 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 24 2,50 0,20 2,15 Não detectado Não detectado Entalhe 25 4,00 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 26 3,25 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 27 2,50 0,20 1,20 Não detectado Não detectado Entalhe 28 4,00 0,20 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 29 3,25 0,20 0,25 Não detectado Não detectado Entalhe 30 2,50 0,20 0,25 Não detectado Não detectado
FIGURA 115. Quadro dos resultados obtidos pela incidência dos feixes ultra-sônicos sobre os furos de fundo plano e entalhes na miniplaca combustível PE 01. Ver (FIG. 94, 95 e 96).
124
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5
DIÂMETRO DOS FUROS DE FUNDO PLANO (mm)
2,5
35
10INDEFINIÇÃO
A = 0,50 mm (Queda do eco de fundo)
A = 0,40 mm (Queda do eco de fundo)
A = 1,90 mm (Eco do furo de fundo plano)
CABEÇOTE DTZ 57AB 920 - AUTOMATION - 10 MHz
FIGURA 116. Altura da tela (%) x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 10 MHz.
%ALTURA DA TELA
0
20
40
60
80
100
1 2 3 4 5
DIÂMETRO DOS FUROS DE FUNDO PLANO (mm)
2,5
30
CABEÇOTE DTZ 57AB 985 - AUTOMATION - 15 MHz
10
A = 1,90 mm (Eco do furo de fundo plano)
A = 0,40 mm (Queda do eco de fundo)
A = 0,50 mm (Queda do eco de fundo)
FIGURA 117. Altura da tela x diâmetros dos furos de fundo plano (mm) – 15 MHz.
125
4.8.3 Cabeçotes de imersão
No teste por imersão, a zona morta e o campo próximo N do cabeçote ficam contidos na coluna
d’água que separa o cabeçote da peça que está sendo inspecionada. As indicações de
descontinuidades nas peças devem sempre ser obtidas com as mesmas situadas dentro do campo
remoto, ou seja, além do comprimento N do campo próximo.
Nos cabeçotes de imersão focalizados, 1514 Karl Deutsch 4 MHz, focalizado em linha ou elipse;
L10ML15 10 MHz, focalizado em linha ou elipse; SIJ 386 – 10 MHz, focalizado em ponto ou
círculo e DIZ 57 A8919 – 10 MHz, focalizado em ponto ou círculo, existe o efeito segunda lente,
trazendo o ponto focal para mais perto da superfície como mostrado na (FIG. 47).
Nas FIG. 80, 82 e 84, item 3.4, são mostrados os feixes sonoros envolvidos no teste de ultra-som
por imersão numa placa combustível. Verifica-se que apenas 1,27% ou 1,44% da energia sonora
emitida pelo cabeçote retorna ao mesmo após incidir e penetrar na placa combustível com e sem
a presença de descontinuidades ou falhas na ligação combustível/revestimento. Por isto, para se
obter uma resposta visível na tela, a sensitividade ou ganho do instrumento tem que ser
relativamente alto.
4.8.3.1 Visão geral do tanque ultrasonic para realização de testes de ultra som por
imersão
Na FIG. 118 é mostrada a visão geral do tanque ultrasonic, onde vão ser executados os testes de
ultra-som por imersão na miniplaca combustível PE 01.
126
FIGURA 118. Visão geral do tanque ultrasonic durante a realização de um teste de ultra som por
imersão.
A seguir estão descritos os testes por ultra-som realizados com os seis cabeçotes de imersão
mostrados na FIG. 76 e os respectivos resultados obtidos com cada cabeçote.
4.8.3.2 Exames com cabeçote normal 1421 Karl Deutsch - 4 MHz
Este cabeçote, conforme mostra o quadro da FIG. 98, possui N = 48 a 58 mm, diâmetro externo
(excluindo a carcaça) igual a 15 mm, diâmetro real do cristal igual a D0 = 0,67 x 15 = 10 mm,
diâmetro efetivo do cristal igual a Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm e diâmetro médio focal igual a
3,00 mm. Este diâmetro focal de 3,00 mm é relativamente grande. Conforme exemplificado no
item 4.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm para o seu menor diâmetro focal DL foi
considerado grande e, por isso, tem dificuldades na detecção de furos e entalhes pequenos como
os da placa combustível PE 01. Este cabeçote não detectou nem as falhas na ligação, nem os
furos de fundo plano e nem os entalhes na miniplaca combustível PE 01.
4.8.3.3 Exames com cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz
Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 99 e 100, possui N = 12,00 a 16,50 mm,
diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 7,00 mm, diâmetro real do cristal igual a D0 = 0,67
x 7 = 4,70 mm, diâmetro efetivo do cristal igual a Deff = 0,97 x D0 = 4,50 mm e diâmetro médio
127
focal igual a 3,00 mm. Este diâmetro focal de 2,50 mm também é relativamente grande. Este
cabeçote não detectou nem as falhas na ligação, nem os furos de fundo plano e nem os entalhes
na miniplaca combustível PE 01.
4.8.3.4 Direção de varredura convencionada para a inspeção por ultra som com cabeçotes
de imersão focalizados em linha (elipse)
A direção de varredura, convencionada para os cabeçotes de imersão focalizados em linha, é a
direção Y, conforme apresentado na FIG. 119.
FIGURA 119. Direção de varredura convencionada para testes com os cabeçotes de imersão
focalizados em linha (elipse).
4.8.3.5 Exames com cabeçote focalizado em linha (elipse) 1514 Karl Deutsch – 4 MHz
O cabeçote 1514 Karl Deutsch - 4 MHz, conforme mostrado nos quadros das FIG. 101 e 102,
possui F = 19,00 a 21,50 mm, raio de curvatura da lente Rc = 10 mm, raio de abertura da lente r =
7,50 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 15,00 mm, diâmetro real do cristal D0 =
0,67 x 15 mm = 10 mm (pode ser comprovado visualmente através da lente de plexiglass
transparente), diâmetro efetivo do cristal Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio focal de
3,00 mm a 3,40 mm. Este diâmetro focal de 3,00 a 3,40 mm é relativamente grande. No caso dos
entalhes, inspeção pela superfície A da placa PE 01, este cabeçote detectou somente o entalhe 22,
128
com comprimento 4 mm, largura 0,20 mm, profundidade A da superfície até o fundo do furo =
2,15 mm. Ocorreu uma redução do eco da superfície de 80% da altura da tela para 50% altura da
tela. Na freqüência mais baixa, 4 MHz, a penetração é maior e detecta-se uma descontinuidade a
uma maior profundidade. Na FIG. 120 é mostrado este cabeçote posicionado de forma a não
atingir o entalhe 22. Pode-se observar o eco de fundo a 80% da tela. Na FIG. 121, com o cabeçote
posicionado sobre o entalhe, observa-se a redução no eco de fundo, de 80% para 50%, indicando
a sua presença.
FIGURA 120. Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado fora do
entalhe 22. Eco de superfície a 80% da tela. Inspeção pela superfície A.
FIGURA 121. Cabeçote focalizado em linha 1514 Karl Deutsch 4 MHz posicionado sobre o
entalhe 22. Redução na altura do eco de 80% da altura da tela para 50% da altura da tela.
129
Este cabeçote não foi capaz de detectar as falhas na ligação combustível/revestimento, que foram
detectadas pelos cabeçotes de contato com sapata de atraso.
No caso dos furos de fundo plano, foi possível a detecção de furos de diâmetro 2,00 mm situados
nas profundidades de 0,50 mm e de 1,90 mm na placa combustível PE 01, como pode ser
observado nas FIG. 122 e 123.
FIGURA 122. Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando o furo nº1 – Diâmetro 2 mm,
profundidade A = 0,50 mm. Pequeno eco do lado direito do eco da superfície. Comparar com a
(FIG. 120).
FIGURA 123. Cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 Mhz detectando furo 5 – Diâmetro 2 mm,
profundidade A = 1,90 mm. Pequeno eco do lado direito do eco da superfície. Comparar com a
(FIG. 120)
130
Os outros furos de fundo plano de diâmetros maiores são detectados também por este cabeçote.
Ele ainda é capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo combustível pela queda ou aumento
acentuado do eco de superfície na linha limite.
4.8.3.6 Detecção com cabeçote focalizado em linha (elipse) L10ML15 – 10 MHz
Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 103 e 104, possui F = 11,50 a 17,00 mm,
raio de curvatura da lente Rc = 7,50 mm, raio de abertura da lente r = 4 mm, diâmetro externo
(excluindo a carcaça) igual a 8,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 = 0,63 x 8 mm = 5 mm,
diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio focal é 1,65 mm. Este
diâmetro focal de 1,65 mm é relativamente pequeno. Por isso, detecta descontinuidades menores.
Devido a possuir freqüência mais alta, 10 MHz, o seu feixe sonoro tem menor penetração na
placa combustível e, portanto, entalhes que estão situados próximos à superfície, profundidade A
= 0,40 a 0,50 mm e até A = 1,20 mm são detectados e os entalhes que estão em profundidade
maior A = 1,90 mm não são detectados, como pode se observar nas (FIG. 124 e 125).
FIGURA 124. Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado fora do entalhe 25,
com comprimento 4 mm; largura 0,20 mm; profundidade A = 1,20 mm). Eco da superfície a 80%
da altura da tela. Inspeção pela superfície A.
131
FIGURA 125. Cabeçote focalizado em linha L10ML15, 10 MHz, posicionado sobre o entalhe 25.
Redução na altura do eco de 80% para 60% da altura da tela. Inspeção pela superfície A.
Este cabeçote não detecta falhas na ligação núcleo combustível/revestimento, conforme mostrado
nas FIG. 126 e 127 e nem furos de fundo plano, como demonstrado nas FIG. 128 e 129.
FIGURA 126. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado fora do núcleo.
Eco da superfície a 80% da altura da tela.
132
FIGURA 127. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado dentro dos
limites do núcleo. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta falha na ligação (bonding failure).
FIGURA 128. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado sobre o furo 1
– diâmetro 2 mm, profundidade A = 0,50 mm. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de
fundo plano.
133
FIGURA 129. Cabeçote L10ML15 – 10 MHz – focalizado em linha - posicionado sobre o furo 5
– diâmetro 2 mm, profundidade A = 1,90 mm. Esta figura é igual à FIG. 126. Não detecta furo de
fundo plano.
4.8.3.7 Detecção com cabeçote focalizado em ponto (círculo) SIJ 386 – 10 MHz
Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 105 e 106, possui F = 17,00 a 19,50 mm,
raio de curvatura da lente Rc = 10 mm, raio de abertura da lente r = 4,50 mm, diâmetro externo
(excluindo a espessura da carcaça) igual a 9,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 ≈ 0,79 x 9 mm
= 6,35 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 6,15 mm, diâmetro médio focal é
0,50 mm e foi determinado com esfera de φ = 5 mm. O diâmetro focal de 1,00 mm foi
determinado com esfera de φ = 12,70 mm. Estes pequenos diâmetros focais possibilitam a
detecção de descontinuidades menores. O feixe sonoro do cabeçote SIJ 386, devido à alta
freqüência do mesmo, possui uma menor capacidade de penetração na placa combustível.
4.8.3.7.1 Detecção pela superfície A – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz
Pela superfície A, este cabeçote não detecta furos de fundo plano, entalhes e nem falha na ligação
nas regiões revestimento/combustível e moldura/revestimento.
134
4.8.3.7.2 Detecção pela superfície B – Cabeçote SIJ 386 – 10 MHz
A superfície B é a superfície onde foram usinados os furos de fundo plano e os entalhes. Devido
ao seu reduzido diâmetro de foco, este cabeçote, pela superfície B, consegue detectar o limite
entre a superfície e o fundo do furo plano. Na FIG. 130, apresenta-se o cabeçote SIJ 386
posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 12 e o sinal referente ao mesmo. O furo nº
12 possui um diâmetro de 5 mm e uma profundidade B igual a 0,40 mm. A tela, na FIG. 130,
mostra os dois ecos: o eco da superfície é o 1º eco, e o eco do fundo do furo é o segundo eco. A
distância horizontal entre estes dois ecos, é de 0,40 mm, ou seja, é a profundidade de 0,40 mm do
furo 12 a partir da superfície B. Como a profundidade do furo n º 12 é pequena, 0,40 mm, estes
dois ecos aparecem muito juntos e fica difícil distinguir ou definir, quantitativamente, a distância
horizontal entre eles. Qualitativamente é fácil de perceber que neste local existe uma variação de
profundidade (espessura). Se a profundidade do furo é maior, os dois ecos aparecem mais
separados (a resolução é maior).
FIGURA 130. Cabeçote focalizado em ponto SIJ 386, 10 MHz, posicionado sobre o limite
superfície/fundo do furo 12. Inspeção pela superfície B.
Com este cabeçote, os furos de fundo plano na placa PE 01 foram percebidos como descrito a
seguir:
135
• Furos 1 a 3, profundidade B = 1,90 mm e diâmetros 2,00; 2,50 e 3,00 mm. Percepção sutil de
variação de espessura.
• Furo 4, diâmetro 4 mm, profundidade B = 1,90 mm Percepção clara de variação de espessura.
• Furos 5 a 7, diâmetro 2,00 mm, 2,5 mm e 3,00 mm, profundidade B = 0,50 mm. Percepção sutil
de variação de espessura.
• Furo 8 diâmetro 4 mm, profundidade B = 0,50 mm. Percepção clara de variação de espessura.
• Furos 9 a 12, diâmetro 2 mm, 3 mm, 4 mm e 5 mm, profundidade B = 2,10 mm. Percepção
clara da variação de espessura.
Portanto, o cabeçote SIJ 386 pode ser utilizado para detectar variações de espessura, por
exemplo, em chapas que tiveram sua espessura reduzida devido à corrosão. Este cabeçote SIJ 386
– 10 MHz é pior para se detectar variações de espessura do que o cabeçote DIZ 57 A8919 - 10
MHz.
4.8.3.8 Detecção com cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz – Quase normal – Raio Rc de
curvatura do cristal muito grande, cristal quase plano. Focalizado em ponto (círculo)
Este cabeçote, conforme mostrado nos quadros das FIG. 107 e 108 possui F = 30,00 a 36 mm;
raio Rc de curvatura da lente muito grande, o cristal é quase plano e, portanto, o cabeçote é quase
um cabeçote normal de imersão; raio de abertura da lente r = 4,00 mm; diâmetro externo
(excluindo a espessura da carcaça) igual a 8,00 mm, diâmetro real do cristal é D0 ≈ 0,79 x 8 mm
= 6,35 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 6,15 mm, diâmetro médio focal é
1,05 mm. Este pequeno diâmetro focal possibilita a detecção de descontinuidades menores. O
cabeçote DTZ 57 A8919, devido a possuir uma freqüência mais alta, 10 MHz, possui um feixe
sonoro com menor capacidade de penetração na placa combustível.
4.8.3.8.1 Detecção pela superfície A - Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz
Pela superfície A, este cabeçote não detecta furos de fundo plano, entalhes e nem falha na ligação
(bonding failure) revestimento/combustível e moldura/revestimento.
136
4.8.3.8.2 Detecção pela superfície B - Cabeçote DIZ 57 A8919 – 10 MHz
A superfície B é a superfície onde foram usinados os furos de fundo plano e os entalhes na placa
PE 01. Devido a seu reduzido diâmetro de foco, este cabeçote, pela superfície B, consegue
detectar o limite entre a superfície e o fundo do furo plano. O cabeçote DTZ 57 A8919 é
posicionado sobre o limite superfície/fundo de um furo de fundo plano de maneira semelhante ao
cabeçote SIJ 386, como mostrado na (FIG. 130). A tela, na FIG. 131, refere-se ao cabeçote DTZ
57 A8919, posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 8 e apresenta dois ecos
praticamente superpostos (poder de resolução): o 1º é o eco da superfície e o 2º é o eco do fundo
do furo nº 8. Devido à profundidade pequena (0,50 mm), os ecos estão muito próximos um do
outro. A tela, na FIG. 132, refere-se também ao cabeçote o cabeçote DTZ 57 A8919,
posicionado sobre o limite superfície/fundo do furo nº 12 e apresenta dois ecos praticamente
superpostos: o 1º é o eco da superfície e o 2º é o eco do fundo do furo nº12. Devido à
profundidade maior (2 mm), os dois ecos ficam mais separados um do outro.
FIGURA 131. Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, posicionado sobre o limite
superfície/fundo do furo nº 8, a partir da superfície B. 1º eco é o da superfície e o 2º é o eco do
fundo do furo. Teste pela superfície B.
137
FIGURA 132. Cabeçote focalizado em ponto DTZ 57 A8919, 10 MHz, posicionado sobre o
limite superfície/fundo do furo nº 12. 1º eco é o eco da superfície e o 2º eco é o eco do fundo do
furo. Inspeção pela superfície B.
O cabeçote DIZ 57 A8919 percebe nitidamente a variação de profundidade (espessura) em todos
os furos, o que não acontece com o cabeçote SIJ 386.
138
5 Discussão geral dos resultados
5.3.1 Cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso (delay line transducer)
Como mostrado na FIG. 72, os cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso detectam
falhas na ligação moldura/revestimento, como apresentado na FIG. 89 (b), no embutimento B,
mostrado de forma esquemática pela linha cheia na (FIG. 92). As “falhas na ligação” moldura
/revestimento, não visíveis a olho nu e somente observadas ao microscópio ótico com aumento de
100 vezes, representadas pelas linhas pontilhadas nas FIG. 91 e 92, não foram detectadas no teste
por ultra-som, como mostrado na (FIG. 73), devido a seu tamanho extremamente reduzido.
Os cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso detectam falhas na ligação
moldura/revestimento e combustível/revestimento. Detectam também furos de fundo plano. Os
furos mais rasos (A = 0,40 a 0,50 mm) são detectados pela queda do eco de fundo e os furos mais
profundos (A = 1,90 mm) são realmente detectados pelas variações na forma dos sinais na tela do
equipamento de ultra-som.
O menor furo de fundo plano, detectado com sinal específico na tela do instrumento pelo
cabeçote de contato de 10 MHz, tem o diâmetro de 2,50 mm e fica situado a uma profundidade
A=1,90 mm. Pela queda do eco de fundo, o menor furo detectado possui o diâmetro de 2,50 mm
e fica situado a uma profundidade A = 0,50 mm. Na profundidade de 0,40 mm, o menor furo
detectado possui diâmetro de 3,00 mm. Estes fatos são ilustrados na (FIG. 119).
O menor furo de fundo plano detectado com sinal específico na tela do instrumento pelo cabeçote
de contato de 15 MHz tem o diâmetro igual a 2,00 mm e fica situado a uma profundidade A =
1,90 mm. Pela queda do eco de fundo, o menor furo detectado possui diâmetro de 2,50 mm e
fica situado a uma profundidade A = 0,50 mm. Na profundidade de 0,40 mm, o menor furo
detectado possui diâmetro de 3,00 mm. Estes fatos são ilustrados pelo gráfico da (FIG. 120). Os
cabeçotes de contato com sapata plástica de atraso não detectam os entalhes na miniplaca
combustível PE 01.
139
5.3.2 Cabeçotes de imersão
Os cabeçotes de imersão normais 1421 Karl Deutsch – 4 MHz – diâmetro externo =15 mm e1450
Karl Deutsch – 4 MHz – diâmetro externo = 7 mm não detectam falhas na ligação, furos de fundo
plano e entalhes.
O cabeçote de imersão 1514 Karl Deutsch 4 MHz focalizado em linha, no caso dos entalhes,
detecta, pela queda do eco de superfície, apenas o maior dos entalhes, usinado sobre a miniplaca
PE 01, que é o entalhe 22 (comprimento = 4,00 mm; largura = 0,20 mm, e está situado a uma
profundidade grande de 2,15 mm). Como a freqüência é baixa, 4 MHz, a penetração do feixe
ultrasônico é maior. Detecta furos de fundo plano mas não detecta falhas na ligação (bonding
failure). É capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo combustível pela queda ou aumento
acentuado do eco da superfície, dependendo da posição em que a linha do feixe ultra-sônico
focalizado incide sobre os limites. A detecção é melhor quando o limite fica numa posição
ortogonal à linha focal do feixe sonoro.
O cabeçote de imersão L10ML15, focalizado em linha, de freqüência alta, 10 MHz, penetra
pouco e, por isto, não detecta o entalhe 22 que está situado a uma profundidade de 2,15 mm.
Porém, este cabeçote detecta, pela queda do eco de superfície, entalhes mais rasos a
profundidades de 0,40 mm, 0,50 mm e 1,20 mm. Exemplo é a detecção pela queda do eco da
superfície de 80% para 60% quando o cabeçote passa sobre o entalhe 25 (profundidade =1,20
mm, comprimento = 4 mm e largura 0,20 mm - Ver quadro da FIG. 115) como mostram as FIG.
124 e 125. Os entalhes situados em profundidade maior, como os entalhes 22 a 24, profundidade
A = 2,15 mm, não são detectados pelo cabeçote L10ML15. Não detecta furos de fundo plano e
nem falhas na ligação (bonding failure), mas é capaz de delimitar o contorno ovalado do núcleo
combustível pela queda ou aumento acentuado do eco da superfície dependendo da posição em
que a linha do feixe ultra-sônico focalizado incide sobre os limites. A detecção é melhor quando
o limite fica numa posição ortogonal à linha focal do feixe sonoro.
Os cabeçotes SIJ 386,10 MHz, focalizado em ponto e DTZ 57 A8919 não detectam
descolamentos, furos de fundo plano e nem entalhes. Pela superfície B detectam ao mesmo tempo
140
o fundo do furo e a superfície quando o feixe sonoro é posicionado metade no fundo do furo e
metade na superfície. O cabeçote DTZ 57 A8919 é mais eficiente para executar esta tarefa. Estes
cabeçotes podem ser usados para detectar variação de espessura de parede devido à corrosão. A
restrição é que o feixe ultra-sônico deve sempre incidir diretamente sobre o lado da chapa que
está sofrendo corrosão.
5.4 Provável causa de não detecção de falha na ligação (bonding failure) pelos
cabeçotes de imersão
Na FIG 11, item 2.7, é mostrada uma fotomicrografia, pós-laminação da miniplaca combustível e
autoclavagem a 225 ºC, do núcleo combustível com microesferas de UO2 de alta esfericidade e
diâmetro médio de 170 µm (bem próximo ao diâmetro especificado de 150 µm). O item 2.10.13
relata que os tamanhos grandes de grãos, conforme norma ASTM, podem gerar consideráveis
sinais ultra-sônicos de ruídos.
Os cabeçotes de imersão não focalizados e também os focalizados não conseguiram detectar a
falha na ligação combustível/revestimento. Pode-se aventar a hipótese de que alguma rugosidade
na superfície do núcleo combustível ou a alta esfericidade e porosidade das microesferas
contribuíssem para que o feixe sonoro sofresse espalhamento ao incidir nestes obstáculos e não
retornasse ao cabeçote. Nas FIG. 53 a 57, item 2.10.10, são mostrados os efeitos das superfícies e
das descontinuidades sobre o feixe sonoro. O efeito focal segunda lente, mostrado na FIG. 47,
talvez possa ter produzido alguma complicada interferência destrutiva na região da falha na
ligação (bonding failure) e os sinais ultra-sônicos não refletiram de volta ao cabeçote.
5.5 Onze quadros de perfis de feixes ultra-sônicos dos cabeçotes da FIG. 76
apresentados nas FIG. 98 a 108
Na FIG. 20, item 2.10.3 da pesquisa bibliográfica, é apresentada a fotografia do feixe sonoro com
seu lobo central e lobos laterais. O lobo central, com maior pressão acústica, também define o
menor diâmetro focal LD (também chamado limite de difração ou Airy disk of the first order)
que se pode obter. Na FIG. 21 é ilustrado o Princípio de Huygens; na FIG. 22 são mostradas as
141
pequenas ondas “wavelets” saindo das “aberturas” do cristal do cabeçote e a resultante é onda
plana e, finalmente, na FIG. 24, item 2.10.4 – Difração – é mostrada a difração em aberturas. No
Apêndice B – Fabricação e teste de lentes acústicas - e nos onze quadros, FIG. 98 a 108, é
apresentado o menor diâmetro focal DL que é calculado pela equação rFDL λ22,1= , onde λ =
comprimento de onda na água; F = distância focal; r = raio de abertura da lente. Num teste por
imersão, um cabeçote focalizado de freqüência f = 10 MHz emite um feixe sonoro na água, Vágua
= 1,48 km/s, cujo comprimento de onda mmfVágua 148,01048,1 ===λ . Sendo a distância
focal F = 25 mm na água, e o raio de abertura da lente r =13 mm, tem-se
mmDL 35,01325.148,0.22,1 == . Este é o menor diâmetro focal que pode ser obtido. Quando o
cabeçote possui baixa freqüência igual a 1 MHz, o comprimento de onda
mmfVágua 48,1148,1 ===λ , então para r =13 mm e F = 25 mm, tem-se
mmDL 5,31325.48,1.22,1 == . Observa-se que em cabeçotes com baixa freqüência, igual a 1
MHz, o menor diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura
igual a 13 mm em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande, tornando difícil a
detecção de pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor
diâmetro focal restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências.
Nas FIG. 98 a 108 são apresentados os quadros mostrando os formatos dos feixes sonoros dos
seis cabeçotes de imersão da FIG. 76, determinados utilizando o equipamento XYZ da FIG. 78.
Os formatos dos feixes sonoros foram determinados, para cada cabeçote, utilizando-se esferas de
aço de diâmetros 12,70 mm e 5,00 mm. Pode-se observar que o formato dos feixes sonoros
obtidos com alvo refletor esfera de aço de diâmetro 12,70 mm é semelhante ao formato do feixe
sonoro obtido com alvo refletor esfera de aço de 5,00 mm de diâmetro. A diferença substancial é
no ajuste de ganho do equipamento, ou seja, o ganho para estabelecer o eco proveniente do centro
geométrico da esfera a 80% da altura da tela para a esfera de 5,00 mm de diâmetro é maior que
para a esfera de 12,70 mm de diâmetro, como pode ser visto pelos quadros das FIG. 98 a 108. O
ganho de referência adotado para a inspeção da miniplaca combustível PE 01 é o ganho maior
referente à esfera de diâmetro 5,00 mm.
142
O cabeçote 1421 Karl Deutsch – 4 MHz, conforme mostra o quadro da FIG. 98, possui N = 48 a
58 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 15 mm, diâmetro real do cristal é D0 =
0,67 x 15 = 10 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0 = 9,50 mm, diâmetro médio
focal é 3,00 mm. Este diâmetro focal de 3,00 mm é relativamente grande. Conforme
exemplificado no item 3.6.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm para o seu menor
diâmetro focal DL foi considerado grande e , por isso, tem dificuldades na detecção de furos e
entalhes pequenos como os da placa combustível PE 01. Este cabeçote não detecta nem as falhas
na ligação (bonding failure), nem os furos de fundo plano e nem os entalhes na miniplaca
combustível PE 01.
O cabeçote normal 1450 Karl Deutsch – 4 MHz, conforme mostrado nos quadros das FIG. 99 e
100, possui N = 12,00 a 16,50 mm, diâmetro externo (excluindo a carcaça) igual a 7,00 mm,
diâmetro real do cristal é D0 = 0,67 x 7 = 4,70 mm, diâmetro efetivo do cristal é Deff = 0,97 x D0
= 4,50 mm, diâmetro médio focal é 3,00 mm. Este diâmetro focal de 2,50 mm é relativamente
grande. Conforme exemplificado no item 3.6.4 para cabeçote de 1 MHz cujo valor de 3,50 mm
para o seu menor diâmetro focal DL foi considerado grande e , por isso, tem dificuldades na
detecção de furos e entalhes pequenos como os da placa combustível PE 01. Ver (FIG. 94, 95, 96
e 115). Este cabeçote não detecta nem as falhas na ligação (bonding failure), nem os furos de
fundo plano e nem os entalhes na miniplaca combustível PE 01.
5.6 Publicação relatando dificuldade para determinar os refletores de referência e
determinar o ganho de referência a ser estabelecido no equipamento de ultra som
Para cabeçote de imersão, no item 4.5, adotou-se a esfera de diâmetro 5 mm (ver quadros das
FIG. 98 a 108) para refletor de referência e também adotou-se o eco proveniente da superfície da
miniplaca combustível, ambos estabelecidos a 80% da altura da tela com um determinado ganho
de referência em dB. Para cabeçotes normais de contato com sapata plástica de atraso (delay line
transducer), foi adotado como refletor de referência o eco de fundo da espessura de 2,40 mm da
miniplaca combustível colocado a 80% da altura da tela correspondendo a um determinado ganho
de referência em dB no equipamento de ultra som, como consta do item 4.6.
143
Estes ganhos de referência foram assim estabelecidos devido à ausência de normas determinando
os refletores padrões de referência para se obter as alturas dos ecos de referência e,
conseqüentemente os ganhos de referência. Se os ganhos de referência são estabelecidos com
base em normas oficiais, as indicações ultra-sônicas provenientes de descontinuidades podem ser
classificadas como aprovadas ou reprovadas. Mas este não é um problema isolado. O relato
abaixo descreve o fato envolvendo o reator a água pesada R3/Adam da Suécia onde, na ausência
de normas oficiais, foram usados no equipamento de ultra som ganhos extremamente altos, o que
ocasionou a detecção de descontinuidades tão diminutas que, provavelmente estariam aprovadas
por normas oficiais.
A primeira carga de elementos combustíveis para o reator refrigerado a água
pesada R3/Adam da Suécia........
Defeitos típicos que afetam a integridade do revestimento são trincas,
micro porosidades, dobramentos, bolhas e poros em junções soldadas, etc., e
também efeitos de corrosão de atrito acelerada por vibrações diferenciais na zona
interfacial (fretting corrosion) e resistência à baixa corrosão no material base.
Penetração de água para o interior do segmento combustível através de alguns
defeitos pode resultar em “water logging” ou “falha hídrica ou de hidrogênio” em
temperatura de reator (de acordo com observações canadenses).
Como nós temos pouca experiência originada dos tipos e freqüência dos defeitos
em tubos de zircaloy para revestimento, nós queremos detectar até mesmo
defeitos muito pequenos, e então o equipamento de ultra som tem sido colocado
para trabalhar com um alto nível de sensitividade ou ganho (AIEA, 1961, p.30
e 38)
5.7 Caso real de falha no revestimento
Como um exemplo potencial do que pode acontecer também com o revestimento de aço
inoxidável da placa combustível em tela para reatores de potência, vale lembrar o item 2.8 que
relata falha acontecida no revestimento de alumínio do elemento combustível tipo placa IEA-53
do reator de pesquisa e teste de materiais IEA-R1 do IPEN em São Paulo-SP. A falha consistia de
pites grandes de corrosão localizados ao longo do revestimento e na parte em contato com a água,
que causaram vazamento irregular do produto de fissão 137Cs.
144
Quanto ao revestimento de chapas de aço inoxidável nas placas combustíveis, o item 2.7 observa
que os aços inoxidáveis austeníticos, como o aço AISI 304, apresentam uma resistência à
corrosão devido a formação de uma película protetora, película de passivação, constituída
principalmente por óxido de cromo. O íon cloreto (Cl-), se estiver contido na água onde está
inserido o aço inoxidável, é uma substância agressiva à integridade da película protetora,
destruindo-a em pontos localizados e provocando a formação de corrosão por pite que pode
resultar em perfurações e pontos de concentração de tensões, que reduzem a resistência mecânica
da liga metálica, podendo haver rompimento do revestimento
5.8 Falhas na ligação (bonding failure) observadas no microscópio e não
detectadas por ultra som.
Como consta no item 4.2.1, as amostras dos embutimentos A e B mostradas na FIG. 89,
examinadas em microscópio ótico, com um aumento de 100X, apresentaram “falhas na ligação
(bonding failure)” que não estavam visíveis a olho nu e nem foram detectadas no exame por
ultra-som, como mostrado na (FIG. 73). Estas “falhas na ligação” são representadas pelas linhas
pontilhadas nos esquemas das FIG. 91 e 92 relativas aos embutimentos A e B da (FIG. 89). O
efeito que estas falhas de pequenas dimensões podem produzir no combustível em serviço só
poderá ser determinado quando placas combustíveis aprovadas no exame por ultra-som forem
submetidas a testes de irradiação dentro do vaso do reator nuclear.
5.9 Fabricação sem êxito de lentes acústicas
No item 4.4 foi observado que em cabeçote com freqüência baixa igual a 1 MHz, o menor
diâmetro LD do foco, que pode ser obtido com a lente acústica de raio de abertura igual a 13 mm
em frente ao cristal do cabeçote, é 3,5 mm, que é muito grande e torna-se difícil a detecção de
pequenas descontinuidades. Conclui-se então que este valor limite LD para menor diâmetro
focal, restringe o uso de lentes acústicas em baixas freqüências
No Apêndice B – Fabricação e testes de lentes acústicas – são apresentadas seis lentes de
plexiglass, fabricadas durante o desenvolvimento deste trabalho, para serem adaptadas em frente
145
aos cabeçotes normais de imersão com cristais planos 1450 Karl Deutsh – 4 MHz – diâmetro
externo (incluindo a carcaça) = 8 mm; e 1421 Karl Deutsh - 4 MHz – diâmetro externo
(incluindo a carcaça) = 16 mm com a finalidade de obter focalização em linha (foco em forma de
elipse) e em ponto (foco em forma de círculo) dos feixes ultra-sônicos e assim aumentar a
sensibilidade do ensaio. Infelizmente, estas seis lentes acústicas apresentaram uma atenuação
sonora excessiva. A vantagem de se fabricar lentes acústicas é que isto torna possível especificar
suas dimensões, de tal modo que se obtenha lentes com várias distâncias focais e com
características de foco para satisfazer diversas necessidades, resolvendo problemas de detecção
de descontinuidades.
Os procedimentos para projetar lentes acústicas plano-côncavas encontram-se no Apêndice B e
obedeceram ao indicado por associação norte americana (AMERICAN SOCIETY FOR
NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991, volume 7, section 8, part 9).
146
6 Conclusões e sugestões
6.1 Características e tipos de cabeçotes de ultra-som para a inspeção de
combustíveis nucleares tipo placa
Cabeçotes normais de contato com sapata plástica de atraso não foram capazes de detectar
entalhes, mas detectaram falhas na ligação (bonding failure) e furos de fundo plano. Quanto a
estes últimos foi possível estabelecer uma relação quantitativa e coerente entre a altura do eco e
os diâmetros dos furos de fundo plano em diversas profundidades e para duas freqüências (10
MHz e 15 MHz), como apresentado nas (FIG. 116 e 117).
Os cabeçotes normais de imersão não foram capazes de detectar entalhes, falhas na ligação
(bonding failure) e furos de fundo plano.
Os cabeçotes de imersão focalizados em linha, de maior freqüência (10 MHz), foram capazes de
detectar entalhes em menores profundidades, até 1,20 mm, mas não conseguiram detectar falhas
na ligação (bonding failure) e nem furos de fundo plano. Os de menor freqüência (4 MHz), foram
capazes de detectar entalhes maiores e situados em profundidades maiores, furos de fundo plano,
mas não detectaram falhas na ligação (bonding failure). Para os cabeçotes de imersão focalizados
não foi possível estabelecer uma relação quantitativa e coerente entre altura de eco e os tamanhos
dos entalhes ou furos de fundo plano. A detecção foi apenas qualitativa.
Os cabeçotes de imersão focalizados em ponto de maior freqüência não detectaram falhas na
ligação (bonding failure), entalhes e nem furos de fundo plano. Demonstraram, no entanto, ser
capazes de detectar variações de espessura de chapa, (que ocorrem, por exemplo, quando há
corrosão) quando o ataque com o feixe ultra-sônico é executado do lado que sofreu corrosão.
Portanto, diante dos resultados e considerações apresentados, conclui-se que nenhum cabeçote
fornece a resposta final. Os procedimentos para a inspeção por ultra-som devem prever a
utilização de cabeçotes de contato e de imersão para inspecionar por ultra-som combustíveis
nucleares tipo placa.
147
6.1.1 Verificação da possibilidade de aquisição de cabeçotes de imersão com outras
freqüências e outras características
Como o cabeçote de imersão 1514 Karl Deutsch 4 MHz, antigo e com 30 anos de fabricação, foi
o único que detectou furos de fundo plano com pequenos diâmetros (2 mm), em pequenas
profundidades (0,50 mm) e profundidades maiores (1,90 mm), deve-se verificar a possibilidade
de aquisição de cabeçotes de imersão focalizados em linha e em ponto com freqüências menores
(5 MHz e abaixo) e que possuam uma melhor relação entre sensitividade e resolução (capacidade
de separar duas descontinuidades ou espessuras muito próximas). Deve-se também adquirir
cabeçotes de imersão focalizados em linha e em ponto de freqüências maiores (15 MHz e acima),
para verificar o comportamento dos mesmos para essa aplicação.
6.1.2 Verificação de possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de
contato com sapatas de atraso e cabeçotes SE
Verificar a possibilidade de aquisição de outros cabeçotes de contato com sapatas plásticas de
atraso e também cabeçotes SE com freqüências de 4 MHz e 12 MHz.
6.2 Confecção de novas miniplacas combustíveis alterando os parâmetros de
fabricação
Foram examinadas 14 miniplacas : 10 decapadas e 4 não decapadas. Todas apresentaram falhas
na ligação (bonding failure) combustível/revestimento detectadas no teste por ultra-som. Apenas
a miniplaca PE 01 apresentou falha na ligação apenas de um lado. Propõe-se confeccionar outras
miniplacas combustível, alterando-se os parâmetros de fabricação, de forma a ampliar o escopo
do estudo realizado neste trabalho e obter padrões de referência naturais.
6.3 Testes de irradiação para verificar o desempenho de combustível nuclear
Como determinado neste trabalho, existem “falhas na ligação (bonding failure)” não visíveis a
olho nu e nem detectadas por ultra-som, somente observadas em microscópio ótico com aumento
148
de dezenas de vezes. Há, portanto, a necessidade de se executar testes de irradiação em placas
combustíveis, dentro do vaso do reator, para verificar se as mesmas, aprovadas no teste por ultra-
som, produziriam “pontos quentes” (hot spots).
A eficácia de um processo de fabricação de combustível é determinada pelo desempenho dos
elementos combustíveis, compactados/sinterizados ou não, que devem ser submetidos a
irradiações e às condições de fluxo do reator para avaliar o seu comportamento mecânico e
resistência à corrosão. A compactação/sinterização é para atingir maior densidade. É importante
ter uma alta densidade, pois, alta densidade significa um grande número de átomos de urânio por
unidade de volume, o que resulta numa alta condutividade térmica e uma melhor retenção de
gases de produtos de fissão.
Portanto, é necessário estabelecer parâmetros de fabricação de miniplacas combustíveis mais
adequados, para melhorar a qualidade das mesmas obtendo coesão metalúrgica ou contato
térmico ou ligação (bonding) combustível/revestimento. Estes parâmetros vão orientar a
fabricação de combustível tipo placa de tamanho real, cuja qualidade também deverá ser
comprovada por testes de irradiação.
6.4 Verificação de possibilidade de acesso a normas oficiais
Verificar a possibilidade de acesso a normas oficiais, se existentes, que estabelecem parâmetros
de inspeção por ultra-som de combustíveis tipo placa.
6.5 Objetivos e benefícios pretendidos por este trabalho
Os resultados dos experimentos apontaram para sugestões de especificações de cabeçotes de
ultra-som de contato e imersão, com determinadas características, que devem ser capazes de,
qualitativa ou quantitativamente, detectarem refletores (furos de fundo plano e entalhes) de
dimensões diminutas para servirem de referência na avaliação de descontinuidades e deficiências
na coesão metalúrgica ou contato térmico ou ligação (bonding) UO2-inox/revestimento e
moldura/revestimento na placa combustível. Tais experimentos, juntamente com testes de
149
irradiação dentro do vaso do reator e análises de mecânica da fratura, podem auxiliar na
otimização dos parâmetros de fabricação das miniplacas e na elaboração de procedimentos de
testes não destrutivos por ultra-som para controlar a qualidade de combustíveis nucleares tipo
placa.
7 Propostas para trabalhos futuros
7.1 Inspeção ultra-sônica automatizada por imersão
Esta inspeção utiliza a técnica C-Scan, que possibilita a vista de topo de descontinuidades nos
componentes examinados. Além disso, deve-se estudar a utilização de novas tecnologias, como
phased array, para esse tipo de aplicação.
7.2 Projeto e fabricação de lentes acústicas
Continuar o projeto e fabricação de lentes acústicas. Ver Apêndice B.
150
APÊNDICE A1 – Esquema genérico do ciclo do combustível nuclear.
151
APÊNDICE A2 – Ciclo do combustível nuclear detalhado.
● Prospecção ● Mineração ● Beneficiamento do minério de urânio Concentração de 0,1% de urânio 1 Kg de urânio em 1 tonelada minério 1/1000 = 0,1/100 = 0,1%
Obtenção do yellow cake que é concentrado de urânio na forma de
diuranato de sódio Na2U2O7 (DUS) ou carbonato de uranilo (NH4)UO2(CO3)3 (AUC) ou diuranato de amônio (NH4)2U2O7 (DUA)
REFINO Remoção das impurezas químicas do yellow cake
CONVERSÃO para UF6 natural Yellow cake sólido é calcinado para obtenção do U3O8 (Processo seco) que é moído e obtém-se UO2 (pó) que se transforma em UF6 (gás) com pureza de 99,99% → UF6 natural Calcinação: é o processo onde oxidam-se as subs- tâncias presentes em uma dada amostra para a for- ma de óxidos utilizando calor em torno de 1000º ºC, em laboratório, através de forno elétrico chamado mulfla (1000 ºC a 1400 ºC)
FABRICAÇÃO DO ELEMENTO COMBUSTÍVEL RECONVERSÃO
Transformação do UF6 já enriquecido isotopicamente em pastilhas de UO2
ENRIQUECIMENTO Elevar a concentração de 235U92 Separação isotópica do 238U92 e 235U92
REATOR NUCLEAR COMBUSTÍVEL
QUEIMADO (SPENT FUEL)
ARMAZENAMENTO TEMPORÁRIO DO
COMBUSTÍVEL QUEIMADO
ÁGUA OU AR (PISCINA) ↓ ↓ Processo Processo úmido seco
Combustível
UF6 natural
UF6 enriquecido Reprocessamento Urânio
Plutônio
ARMAZENAMENTO FINAL DO
COMBUSTÍVEL QUEIMADO
Ciclo do Combustível Fechado
Cic
lo d
o C
ombu
stív
el A
bert
o Disposição do elemento combustível queimado no meio ambiente
Deve-se consumir muito urânio no elemento combustível para se obter menor reprocessamento
152
APÊNDICE B - Fabricação e teste de lentes acústicas
A vantagem de fabricar lentes acústicas é que é possível especificar suas dimensões de tal modo
que se obtenha lentes com diversas distâncias focais e suas características de foco para satisfazer
diversas necessidades resolvendo problemas de detecção de descontinuidades.
Infelizmente as seis lentes acústicas fabricadas e mostradas na FIG. B1 apresentaram muita
atenuação sonora. Além do mais, pode ser que o material plexiglass usado não seja o mais
adequado. Estas seis lentes foram fabricadas para serem adaptadas em frente aos cabeçotes
normais de imersão com cristais planos [ 1450 Karl Deutsh – 4 MHz –diâmetro externo
(incluindo a carcaça) = 8 mm; e 1421 Karl Deutsh - 4 MHz – diâmetro externo (incluindo a
carcaça) = 16 mm] com a finalidade de obter focalização em linha (foco em forma de elipse) e
em ponto (foco em forma de círculo) dos feixes sonoros dos mesmos e assim aumentar suas
sensitividades.
FIGURA B1. Seis lentes acústicas de plexiglass fabricadas no CDTN
O som pode ser focalizado através de lentes analogamente à focalização da luz. A diferença
básica entre os dois é a razão t/λ = 104 a 105 para a luz e t/λ ≈ 10 para ultra som, t = espessura da
lente e λ = comprimento de onda do ultra som no meio anfitrião (host) ou meio onde se propaga a
153
luz ou o som. As lentes acústicas podem ser feitas de material sólido ou material líquido. Para
aplicações de ultra som elas geralmente são feitas de material sólido e o meio condutor é um
fluido. Neste caso, o som incidindo da água para a lente, a velocidade acústica é mais alta na
lente (V2 = Vplexiglass = 2,75 km/s) do que na água (V1 = Vágua = 1,48 km/s) e o índice de
refração n = V1/V2 = 0,538 do material da lente (plexiglass) em relação à água é menor que 1
resultando numa lente convergente côncava. Ao contrário da ótica onde a velocidade da luz é
mais baixa no material plexiglass da lente e mais alta na água resultando em um índice de
refração n > 1, resultando numa lente divergente côncava. Na FIG. B2 são mostrados os feixes
sonoros incidindo sobre superfície convexa e divergindo e sobre superfície côncava convergindo.
Os feixes de luz comportariam de modo contrário, isto é, incidindo na superfície convexa
convergiriam e na superfície côncava divergiriam.
FIGURA B2. Feixes sonoros divergindo ao incidirem em superfície convexa e convergindo ao
incidirem em superfície côncava.
Na TAB. B1 são fornecidas as propriedades acústicas de vários materiais para lentes. Na FIG. B3
é mostrada uma lente bicôncava e na FIG. B4 uma lente plano côncava. O sal de sulfato de lítio e
o plexiglass são os mais comumente usados como materiais de lentes em cabeçotes destinados a
testes por ultra som pelas técnicas de imersão pois, os valores de suas impedâncias acústicas são
próximos ao valor da impedância acústica da água, resultando em um bom casamento de
impedâncias e, conseqüentemente, uma alta transmissão de energia sonora para dentro do
cabeçote quando o som retorna do objeto sob teste e, conseqüentemente, uma baixa reflexão de
retorno do som na lente. Isto faz com que o aparelho de ultra som trabalhe com um ajuste de
154
ganho (sensitividade) mais baixo (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE
TESTING, 1991, volume 7, Section 8, part 9, p. 259 e 260)
TABELA B1. Propriedades acústicas de vários materiais para lentes
Na água a 25 ºC (77 ºF) -------------------------------------------------------------- Material Velocidade Densidade Impedância Fator de reflexão Fator de Índice de refração do do som acústica transmissão material da lente em V2 ρ Z2 R = (Z2 – Z1)2 T = 4Z1Z2 (103m/s) (103kg/m3) (106Kg/m2.s) (Z2 + Z1)2 (Z2 + Z1)2 n = V1/V2
relação à água
Acetona 1,16 0,79 0,92 52% 48% 1,28 Alumínio 6,25 2,70 16,90 70% 30% 0,24 Cloroformio 1,00 1,49 1,49 0% 100% 1,48 Vidro 4 a 6 2,3 a 4,0 13 a 16 63% a 69% 37% a 31% 0,25 a 0,37 Lítio 3,00 0,534 1,60 0,15% 99,85% 0,50 Mercúrio 1,45 13,50 19,70 74% 26% 1,03 Plexiglass 2,75 1,18 3,25 13,8% 86,20% 0,54 Polietileno 1,95 0,90 1,75 0,7% 99,30% 0,76 Poliestireno 2,35 1,06 2,49 6,40% 93,60% 0,63 Observações: - O índice 1 se refere à água (acoplante) e o índice 2 se refere ao material da lente. - V1 = 1,48 x 103 m/s (Velocidade do ultra som na água) - Z1 = 1,48 x 106 Kg/m2.s (Impedância acústica da água) - Considera-se que o som vai do meio 1 (água) para o meio 2(lente) e se refrata ou muda a sua trajetória ao entrar na lente. Por isto, o índice de refração é n = V1/V2 , ou seja, da lente em relação à água.
FIGURA B3. Lente bicôncava. Cristal separado da lente induz uma onda transversal (shear) na
lente devido à incidência angular da onda longitudinal.
155
FIGURA B4. Lente plano-côncava. Cristal colado à lente produz um comprimento N de campo
próximo maior do que o comprimento focal F da lente.
Quando uma lente plano côncava é colada diretamente na frente do cabeçote de ultra som, o
comprimento N do campo próximo é, geralmente, maior do que o comprimento focal F (N >F).
Sendo assim, o foco não fica claro, pois não é possível saber com clareza a distância focal F e,
conseqüentemente, onde está localizado realmente o foco da lente. Para isto, tem-se que usar a
fórmula abaixo para determinação da distância focal da lente e saber onde realmente se encontra
o seu foco.
−
−−
=121
1
2
2
1
2
1
VV
VVt
VV
RF c (B1)
F = Distância focal (mm)
cR = Raio de curvatura da lente (mm)
r = D/2 = Raio de abertura da lente (mm) D = Diâmetro de abertura da lente
t = espessura da lente (mm)
1V = velocidade acústica na água ( Vágua = 1,48 km/s)
2V = Velocidade acústica na lente ( Vplexiglass = 2,73 km/s)
156
Observa-se, pela FIG. B5 mostrando a lente plano côncava, que com o aumento do ângulo de
abertura, o foco move-se em direção à lente e a área focal é alargada. Isto reduz a concentração
de energia e a precisão da posição focal.
FOCO FOCO FIGURA B5. Raio r de abertura da lente e raio R de curvatura da lente
Para pequenos diâmetros D de abertura da lente, a espessura t da lente plano côncava (apesar de
existir como mostrado na FIG. B5) é como se não existisse, ou seja, é efetivamente 0(zero) e o
segundo termo da equação acima é eliminado. A equação acima torna-se:
2
11VV
RF−
= (B2)
Por exemplo, no teste de imersão, para ultra som passando através de lentes de plexiglass (V2 =
Vplexiglass = 2,73 km/s) ou lentes de sal de sulfato de lítio (Vsulfato de lítio = 3,0 km/s) e entrando
na água (V1 = Vágua = 1,48 km/s) e cujos R (Raio de curvatura da lente) = 10mm temos:
F = 10/0,458 = 21,80 mm (plexiglaas) e F = 10/0,50 = 20 mm
Para efeitos práticos, quando lente plano côncava é de plexiglass ou de sal de sulfato de lítio a
distância focal F pode ser reduzida a RF 2≈
O cabeçote 1514 Karl Deutsch – 4 MHz – focalizado em linha - Raio de curvatura cR = 10 mm
possui uma distância focal F = Z2 ≈ 2 0 mm e d iâmetro méd io focal = Df6x = 3,00 mm
determinados no equipamento XYZ mostrado na (FIG. 99)
157
λ = V/f = 1,48 km/s
4 MHz
= 0,37 mm
DL = 1,22λF = 1,22 x 0,37 x 20
r 10
= 0,90 mm r = raio de abertura da lente
DL = menor diâmetro focal ou limite de difração ou Airy disk of first order.
Na prática, usando como refletor a esfera de Ф = 12,70 m (1/2”) encontrou-se o diâmetro Df6x =
3,00 mm (Diâmetro de valor médio).
O valor limite DL constitui uma restrição ao uso efetivo de lente acústica em baixas freqüências.
Em 1 MHZ o limite de difração ou o menor tamanho do foco é 3,5 mm, que é muito grande,
tornando crítica a detecção de pequenas descontinuidades.
O ganho da lente é calculado pela fórmula abaixo:
22
2 TF
DGp λπ
= (B3)
T = coeficiente de transmissão
R = coeficiente de reflexão
ρ1 = densidade do meio anfitrião. Por exemplo: água = 1,00 x 103 kg/m3
V1 = velocidade do ultra som na água = 1,483 x 103 m/s
Z1 = ρ1V1 = impedância acústica na água = 1,483 x 106 kg/m2.s
ρ2 = densidade do plexiglass (material da lente) = 13,50 x 103 kg/m3
V2 = velocidade do ultra som no plexiglass = 2,73 x 103 m/s
Z2 = ρ2V2 = impedância acústica no plexiglass = 3,25 x 106 kg/m2.s
Rplexiglass na água = 0,14
ρ2 = densidade do sal de sulfato de lítio (material da lente) = 0,534 x 103 kg/m3
V2 = velocidade do ultra som no sal de sulfato de lítio = 3,0 x 103 m/s
Z2 = ρ2V2 = impedância acústica no sulfato de lítio = 1,60 x 106 kg/m2.s
Rsulfato de lítio na água = 0,0014
158
As melhores lentes, ou as lentes que possuem menor fator R de reflexão, são as lentes de sulfato
de lítio, cuja impedância acústica de 1,60 x 106 kg/m2.s é praticamente igual à impedância
acústica da água 1,483 x 106 kg/m2.s resultando em um bom casamento de impedância e o som se
reflete menos de volta como mostrado na. O plexiglass é também usado para lente pois sua
impedância acústica de 3,25 x 106 kg/m2.s é próxima à da água.
As principais desvantagens das lentes acústicas são aberrações e a perda de energia que tem como
causa as reflexões e atenuação do feixe sonoro. As lentes, geralmente são feitas de plásticos
(plexiglass) que possuem coeficiente de reflexão na água R.= 0,14 que é 100 vezes maior que o
coeficiente de reflexão R = 0,0014 do sulfato de lítio na água, ou seja, a lente de sal de sulfato de
lítio transmite 100 vezes mais som que retorna do alvo para dentro do cabeçote do que a lente de
plexiglass. Isto significa, em outras palavras, que as lentes de plástico (plexiglass) atenuam muito
o som.
As seis lentes acústicas de plexiglass, mostrada na FIG. B1, fabricadas no CDTN e acopladas na
frente dos cabeçotes normais planos 1450 Karl Deutsch – 4 MHz e 1421 Karl Deutsch – 4 MHz,
não apresentaram resultados satisfatórios, pois, a prática confirmou a explanação teórica acima,
ou seja, atenuaram muito o ultra-som proveniente dos cabeçotes, provavelmente produziram
também reflexões internas no plexiglass, resultando, quando muito, em fraco e deficiente feixe
sonoro emitido e recebido, impossibilitando a leitura da tela do equipamento devido também a
superposição difusa de ecos no início da tela do equipamento.
Partiu-se então para utilizar cabeçotes que já vêm de fábrica com um dos três modos de
focalização do feixe sonoro (1) material piezelétrico curvo e aterrado (2) lente plano-côncava
cementada a um cristal piezelétrico plano e (3) lente bicôncava colocada em frente do cristal do
cabeçote. Os cabeçotes devem, na prática, possuírem um bem definido campo acústico com
pouco ruído e reduzidas perdas de energia. Nos cabeçotes existe a necessidade de se fixar um
bloco amortecedor atrás do cristal para se obter características de banda larga. Cabeçotes com
focalização em ponto (círculo) e focalização em linha (elipse) são necessários. Em algumas
aplicações especiais, uma lente externa é acoplada em frente ao transdutor plano para focalizar
seu feixe (em ponto ou em linha) e melhorar sua sensitividade. Tais lentes produzem uma certa
quantidade de distúrbio e absorção devido ao uso de borracha vulcanizada (que contém recheios)
no bloco amortecedor (AMERICAN SOCIETY FOR NONDESTRUCTIVE TESTING, 1991,
volume 7, Section 8, part 9, p. 258 a 261)
159
REFERÊNCIAS
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