MINISTRIO DA EDUCAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Programa de Ps Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais PPGEM

AVALIAO DE PARMETROS DE EMISSO ACSTICA PARA MONITORAMENTO DE RISERS FLEXVEIS

Ricardo Callegari Jacques

Tese para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia

Porto Alegre 2009

II

MINISTRIO DA EDUCAO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

Escola de Engenharia

Programa de Ps Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais PPGEM

AVALIAO DE PARMETROS DE EMISSO ACSTICA PARA MONITORAMENTO DE RISERS FLEXVEIS

RICARDO CALLEGARI JACQUES Mestre em Engenharia

Engenheiro de Materiais

Trabalho realizado no Departamento de Metalurgia da Escola de Engenharia da UFRGS, dentro do Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de

Materiais PPGEM, como parte dos requisitos para obteno do ttulo de Doutor em Engenharia.

rea de Concentrao: Cincia e Tecnologia dos Materiais

Porto Alegre 2009

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Esta tese foi julgada adequada para obteno do ttulo de doutor em Engenharia, rea de concentrao em Cincia e Tecnologia dos Materiais, e aprovada em sua forma final, pelo orientador e pela Banca Examinadora do Programa de Ps-Graduao.

Orientador: Prof. Dr. Telmo Strohaecker

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Jos Ruzzante, CNEA (Argentina); Dr. Srgio Damasceno Soares, CENPES-PETROBRAS; Prof. Dr. Afonso Reguly, PPGEM-UFRGS.

Prof. Dr. Carlos Perez Bergmann Coordenador do PPGEM

IV

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Prof. Dr. Telmo Strohaecker por ter possibilitado a minha participao neste projeto e pelas discusses referentes parte de fadiga da tese. Ao Prof. Dr. Ruzzante por ter me recebido na Argentina e ter me ensinado as bases da Emisso Acstica. Ao Dr. Damasceno que me recebeu vrias vezes no CENPES e teve a disponibilidade e pacincia de discutir vrios resultados desta tese. Ao Prof. Dr. Reguly por ter discutido procedimentos de ensaios e por ter sanado vrias dvidas que eu tive durante a tese.

Ao Msc. Cludio Camerini por ter trazido este projeto at a UFRGS e ter incentivado a aquisio do equipamento de EA utilizado nesta tese, assim como fornecimento dos risers estudados.

minha famlia pelo apoio, compreenso e pacincia nos momentos difceis. Ao Eng. Bianchessi, que me ajudou no comeo da tese me explicando a base de processamento de sinais e instrumentao. Ao Msc. Flores, que facilitou grandemente a concluso desta tese atravs de discusses de resultados de ensaios, sugestes de procedimentos, explicaes de mtodos de anlise que eu no conhecia e crtica geral da tese. Ao meu colega de laboratrio Dr. Martins por ter ajudado na elaborao dos testes e pelas discusses de anlises. Aos colegas do LAMEF pela ajuda a conduzir os ensaios. Ao Prof. Dr. Gallego por ter me recebido em Granada e pelas discusses e sugestes.

Prof. Dra. Sidia Callegari pela ajuda na parte de estatstica. Ao CNPq por ter patrocinado parte deste projeto atravs de uma bolsa de doutorado.

V

If I have seen further it is only by standing on the shoulders of giants.

Isaac Newton

VI

SUMRIO

1.0 INTRODUO 1 2.0 REVISO BIBLIOGRFICA 3

2.1 TUBOS FLEXVEIS E COMPONENTES ASSOCIADOS 4 2.1.1 Tubos flexveis 4 2.1.2 Conectores 7 2.1.3 Limitadores (Bend Stiffners/Bend Limiters) 9 2.1.4 Mecanismos de Dano 9 2.1.5 Fadiga de risers 15

2.2 EMISSO ACSTICA (EA) 16 2.2.1 Fontes de Emisso Acstica 19 2.2.2 Propagao de Ondas 21 2.2.3 Atenuao do Sinal de Emisso Acstica 23 2.2.4 Deteco e Equipamento de Emisso Acstica 25 2.2.5 Parmetros de Medio do Sinal de EA 32 2.2.6 Localizao das fontes 35 2.2.7 Rudo 37 2.2.8 Efeito Kaiser, Corolrio Dunegan e Razo Felicity 40 2.2.9 Emisso Acstica em cabos e tubos de multicamadas 40

2.3 TCNICAS ESTATSTICAS E DE RECONHECIMENTO DE PADRES DE EMISSO ACSTICA 46

3.0 OBJETIVOS E DIVISO DO TRABALHO 49 3.1 OBJETIVOS 49 3.2 DIVISO DO TRABALHO 49

4.0 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 51 4.1 CARACTERIZAO DOS CORPOS DE PROVA 51

4.1.1 Riser de 6 polegadas correspondente ao Grupo de Ensaios No.2 51 4.1.2 Tiras da armadura de trao do riser do Primeiro e Terceiro Grupos de

Ensaios 52 4.2 EQUIPAMENTO E ANLISE DE EMISSO ACSTICA 53

4.2.1 Equipamento de EA para aquisio de dados 53 4.2.2 Sensores de EA utilizados 53 4.2.3 Acoplamento dos sensores 54

4.3 SISTEMAS E PROCEDIMENTOS DE CARREGAMENTOS 54 5.0 PRIMEIRO GRUPO DE ENSAIOS 55

5.1 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DO PRIMEIRO GRUPO DE ENSAIOS 55 5.2 RESULTADOS DO PRIMEIRO GRUPO DE ENSAIOS 56 5.3 CONCLUSES PARCIAIS 65

6.0 SEGUNDO GRUPO DE ENSAIOS 67

VII

6.1 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DO SEGUNDO GRUPO DE ENSAIOS 67 6.2 RESULTADOS DO SEGUNDO GRUPO DE ENSAIOS 70 6.3 CONCLUSES DO SEGUNDO GRUPO DE ENSAIOS 79

7.0 TERCEIRO GRUPO DE ENSAIOS 80 7.1 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DO TERCEIRO GRUPO DE ENSAIOS 80 7.2 RESULTADOS DO TERCEIRO GRUPO DE ENSAIOS 81 7.3 CONCLUSES DO TERCEIRO GRUPO DE ENSAIOS 95

8.0 QUARTO GRUPO DE ENSAIOS 96 8.1 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL DO QUARTO GRUPO DE ENSAIOS 96 8.2 RESULTADOS DO QUARTO GRUPO DE ENSAIOS 97 8.3 CONCLUSES DO QUARTO GRUPO DE ENSAIOS 104

9.0 CONCLUSES 105 10.0 SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS 107 11.0 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 108

VIII

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1: Camadas do riser (adaptado de TECHNIP 2007). 5 Figura 2.2: Linha de produo de petrleo e designaes (BAI 2001). 6 Figura 2.3: End fittings (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2002). 7 Figura 2.4: Montagem do end fitting (MARINHO 2006). 8 Figura 2.5: Dano camada polimrica externa (MARINHO 2006). 13 Figura 2.6: Arames da armadura de trao rompidos (MARINHO 2006). 14 Figura 2.7: Emisso acstica em um vaso de presso cilndrico. 17 Figura 2.8: Classificao de fontes de EA segundo RUZZANTE 1998. 20 Figura 2.9: Ondas longitudinais (ANDREUCCI 2008). 21 Figura 2.10: Ondas transversais (ANDREUCCI 2008). 22 Figura 2.11: Analogia atenuao geomtrica. 23 Figura 2.12: esquema de um sensor piezoeltrico tpico 27 Figura 2.13: Diagrama de Blocos de um sistema DiSP (PHYSICAL ACOUSTICS

CORPORATION 2005). 30 Figura 2.14: Parmetros temporais de aquisio: PDT, HDT e HLT. 32 Figura 2.15: Parmetros de medio do sinal de EA (adaptado de MIX 2005) 33 Figura 2.16: Localizao linear atravs da tcnica de EA. 35 Figura 2.17: Localizao planar atravs da tcnica de EA (VALLEN 2007). 36 Figura 2.18: Localizao zonal atravs da tcnica de EA. 37 Figura 4.1: Camadas do riser, (a) vista geral e (b) vista detalhada 51 Figura 4.2: Metalografia de um arame da armadura de trao mostrando ferrita e perlita

alinhadas preferencialmente de cima pra baixo 52 Figura 4.3: (a) Curva de calibrao fornecida pela PAC para o sensor R15I-AST; (b) curva

de calibrao fornecida pela PAC para o sensor WDI-AST. 54 Figura 5.1: (a) Vista lateral e (b) viso superior das tiras entalhadas. 55 Figura 5.2: (a) Montagem dos sensores de EA e tira na mquina de trao; (b) detalhe

mostrando o entalhe. 56 Figura 5.3: reas remanescentes das sees resistentes aps o entalhe (a) a menor rea, (b)

a segunda menor rea, (c) a segunda maior rea e (d) a maior rea. 57 Figura 5.4: Emisso acstica da tira com rea de 12% da seo original (ruptura perto de

10s) 58 Figura 5.5: EA da tira com rea de 37% da seo original (ruptura perto de 20s). 58 Figura 5.6: EA da tira com rea de 60% da seo original (ruptura perto de 28s). 59 Figura 5.7: EA da tira com rea de 82% da seo original (ruptura perto de 50s). 59 Figura 5.8: Carregamento da tira com seo de 12% da rea original. 60 Figura 5.9: Carregamento da tira com seo de 37% da rea original. 60 Figura 5.10: Carregamento da tira com seo de 60% da rea original. 61 Figura 5.11: Carregamento da tira com seo de 82% da rea original. 61 Figura 5.12: Menor dos entalhes, 82% de seo restante. 63 Figura 5.13: Entalhe mdio, 60% de rea de seo restante. 64 Figura 5.14: entalhe grande, 37% de seo restante. 64 Figura 5.15: Maior dos entalhes, 12% de seo restante. 65

IX

Figura 6.1: Riser de 6 polegadas de dimetro montado na trelia. 67 Figura 6.2: Entalhes feitos nas tiras com uma retfica manual Dremmel. 68 Figura 6.3: Disposio dos sensores no riser. 68 Figura 6.4: Sensores de EA montados no conector do riser, cmera montada no riser para

medir rotao e aparelho 3MA para medies magnticas de tenso nas tiras. 69 Figura 6.5: Sensores de emisso acstica montados diretamente nas tiras do riser e sobre a

capa polimrica do riser. 69 Figura 6.6: Carregamento e resposta em Amplitude de EA para o dia 6 / 5 / 2008. 71 Figura 6.7: Carregamento e resposta em Energia PAC de EA para o dia 6 / 5 / 2008. 71 Figura 6.8: Carregamento e resposta em ASL de EA para o dia 6 / 5 / 2008. 72 Figura 6.9: Carregamento e resposta em Durao de EA para o dia 6 / 5 / 2008. 73 Figura 6.10: Carregamento e resposta em Tempo de Subida de EA para o dia 6/5/2008. 73 Figura 6.11: Carregamento e resposta em Amplitude de EA para o dia 7 / 5 / 2008. 74 Figura 6.12: Carregamento e resposta em Energia de EA para o dia 7 / 5 / 2008. 75 Figura 6.13: Carregamento e resposta em ASL de EA para o dia 7 / 5 / 2008. 75 Figura 6.14: Carregamento e resposta em Durao de EA para o dia 7 / 5 / 2008. 76 Figura 6.15: Carregamento e resposta em Tempo de Subida de EA para o dia 7/5/2008. 76 Figura 6.16: Forma de onda observada clssica de literatura. 77 Figura 6.17: Problema de rudo de fundo na aquisio da forma de onda. 78 Figura 6.18: Problema de saturao na aquisio da forma de onda. 78 Figura 7.1: (a) Amostra que consiste de uma tira fadigada e montada numa caixa metlica,

sensores e prendedores magnticos; (b) montagem dos sensores na amostra. 80 Figura 7.2: (a) Menor seo resistente, 30% da rea original; (b) segunda menor seo

resistente, 49% da rea original; (c) segunda maior seo resistente, 67% da rea original; (d) maior seo resistente, 85% da rea original. 82

Figura 7.3: Curva de carregamento e resposta acstica para a amostra de rea 85% da seo original. 82

Figura 7.4: Curva de carregamento e resposta acstica para a amostra de rea 67% de seo remanescente . 83

Figura 7.5: Curva de carregamento e resposta acstica para a amostra de rea 49% de seo remanescente. 83

Figura 7.6: Curva de carregamento e resposta acstica para a amostra de rea 37% de seo remanescente. 84

Figura 7.7: Resultados dos sensores de EA colocados nas garras da mquina para a amostra que tinha 85% de seo remanescente. 85

Figura 7.8: Comparao entre os sensores R15I-AST e WDI-AST de EA. 85 Figura 7.9: Frequencia Mdia dos sensores montados no corpo de prova. 86 Figura 7.10: (a) Forma de onda de EA do descolamento para a amostra 1 e o sensor WDI-

AST; (b) forma de onda de EA do descolamento para a amostra 2 e o sensor WDI-AST. 88

Figura 7.11: (a) Forma de onda de EA da ruptura para a amostra 1 e o sensor WDI-AST; (b) forma de onda de EA da ruptura para a amostra 2 e o sensor WDI-AST. 88

Figura 7.12: (a) Forma de onda de EA do descolamento para a amostra 1 e o sensor R15I-AST; (b) forma de onda de EA do descolamento para a amostra 2 e o sensor R15I-AST. 89

Figura 7.13: (a) Forma de onda de EA da ruptura para a amostra 1 e o sensor R15I-AST; (b) forma de onda de EA da ruptura para a amostra 2 e o sensor R15I-AST. 89

X

Figura 7.14: Comparao de Energia calculada pelo Matlab e AEWin para o sensor R15I. 92

Figura 7.15: Comparao de Energia calculada pelo Matlab e AEWin para o sensor WDI. 92

Figura 7.16: Sinais de Energia Zero coletados pelo sensor WDI nas amostras 1-4. 93 Figura 7.17: Aumento da rea prxima origem dos eixos x,y das Figuras 7.15 e 7.16. 94 Figura 8.1: Esquema da montagem dos sensores no riser para o teste de fadiga. 96 Figura 8.2: Grficos de Amplitude de EA x Tempo para as 2 primeiras tiras que romperam.

98 Figura 8.3: Grficos de Energia de EA x Tempo para as 2 primeiras tiras que romperam. 98 Figura 8.4: Grficos de Amplitude de EA x Tempo para a terceira tira que rompeu. 99 Figura 8.5: Grficos de Energia de EA x Tempo para a terceira tira que rompeu. 100 Figura 8.6: Grficos da Amplitude x Tempo para as rupturas da quarta e quinta tira. 101 Figura 8.7: Grficos de Energia x Tempo para as rupturas da quarta e quinta tira. 101 Figura 8.8: Duas formas de onda com valores de ASL muito prximos. 104

XI

LISTA DE TABELAS

Tabela 4.1: Composio Qumica das tiras. 52 Tabela 4.2: Propriedades Mecnicas da tira da armadura de trao. 53 Tabela 5.1: Distribuio das Energias PAC em blocos para cada tira entalhada. 62 Tabela 5.2: Resumo dos resultados de EA dos ensaios. 62 Tabela 6.1: Calibrao dos sensores do ensaio de EA no primeiro riser. 70 Tabela 7.1: Configurao dos sensores 81 Tabela 7.2: Distribuio do nmero de sinais por amostra testada para o sensor WDI-AST. 87 Tabela 7.3: Distribuio do nmero de sinais por amostra testada para o sensor R15l-AST. 88 Tabela 7.4: Comparao entre os parmetros de EA baseados em tempos resultantes do

AEWin e os extrados via Origin para a amostra 1 (85%de seo) e 2 (67%). 90 Tabela 8.1: Comparao do limiar de 45dB com limiar de 60dB para cada um dos

parmetros de EA nas diferentes rupturas 102

XII

LISTA DE EQUAES

Equao 1 15 Equao 2 21 Equao 3 25 Equao 4 33 Equao 5 36 Equao 6 36 Equao 7 36 Equao 8 36 Equao 9 40

XIII

LISTA DE ABREVIAES

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas A/D Analgico / Digital API American Petroleum Institute Instituto Americano de Petrleo ASL Average Signal Level Nvel de Sinal Mdio CONTEC - Comisso de Normas Tcnicas Petrobras COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Ps-Graduao e Pesquisa em Engenharia DSP - Digital Signal Processing Processamento Digital de Sinais EA Emisso Acstica HDT Hit Definition Time Tempo de definio de sinal HLT Hit Lockout Time Tempo de parada de aquisio de sinal LAMEF Laboratrio de Metalurgia Fsica MSPS Mega Samples Per Second Mega amostras por segundo PAC - Physical Acoustics Corporation Corporao de Acstica Fsica PASA Physical Acoustics South Amrica Acstica Fsica da Amrica do Sul PCI- Peripheral Component Interconnect Interconexo de Componentes Perifricos PDT Peak Definition Time Tempo de Definio de Pico PVDF - Polyvinylidene Fluoride RMS Root Mean Square valor eficaz, raiz dos quadrados mdios TOFD Time of Flight Diffraction Difrao do Tempo de Vo UKOOA - United Kingdom Offshore Operators Association Associao de Operadores martimos do Reino Unido. UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul VIV - Vortex Induced Vibrations - Vibraes Induzidas por Vrtice.

XIV

RESUMO

A explorao de petrleo em guas profundas no Brasil iniciou devido a uma necessidade da indstria petrolfera nacional de oferecer preos competitivos para seus produtos no mercado mundial. Essa explorao se tornou possvel e economicamente vivel devido ao surgimento de tubos flexveis de multi-camadas. Esses dutos so empregados corriqueiramente no Brasil e existe uma necessidade de inspeo e avaliao da vida til dos mesmos de um modo contnuo sem paradas na produo. Dentre as tcnicas de ensaios no destrutivos disponveis para esse tipo de aplicao, a Emisso Acstica (EA) tem grande potencial pois permite o monitoramento da integridade estrutural do riser atravs da aquisio contnua de sinais sonoros que percorram a estrutura e cheguem at os sensores. Esses sinais podem ser tratados estatisticamente e no futuro podem levar automatizao do processo. Para tanto, necessrio um estudo dos parmetros de Emisso Acstica para se verificar quais so os mais adequados e quais so as melhores condies para adquirir o sinal com o mnimo de erro e rudo. Neste trabalho, estudou-se a resposta acstica de tiras retiradas de risers frente a ensaios de trao e risers em escala real em carregamentos de trao e fadiga. Os resultados mostram que possvel a deteco de ruptura dos arames em todos esses casos, e que parmetros de EA como Durao e Contagens e so fortemente

influenciados por rudo. Alm disso, foi criado um limite de confiana de 200s para Tempo de Subida e 2ms para Durao de modo que se possa avaliar se o limiar e os parmetros temporais de aquisio esto adequados.

XV

ABSTRACT

The production of oil in deep waters by the national industry was initiated due to a need to offer competitive prices in the world wide market. This type of enterprise was possible and interesting in the economic point of view mainly due to the development of multi-layered flexible risers. This type of tube is often employed in Brazil and there is a need for an inspection and health monitoring strategy in a continous way without stopping production. Among the non-destructive techniques available for this type of application, the Acoustic Emission technique shows a great potential since it allows the monitoring of

structural integrity though continous aquisition of sound waves that run in the structure and arrive at the sensors. These signals may be statistically treated and in the future may also lead to the automation of the process. Thus, a study of the parameters for Acoustic Emission is needed, in order to verify which parameters and acquisition rules are adequate to minimize error and noise. This works presents results from tests where wires taken from risers were load tested and also results from real risers subject to load and fatigue. The results show that it is possible to detect the rupture of the wires in all the above cases, and that parameters such as Duration and Counts are highly influenced by noise. Besides that, a trust range was created (200ms for Rise Time and 2ms for Duration) allowing the analyst to evaluate if the threshold and time based aquisition rules are appropriate.

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1.0 INTRODUO

A indstria do petrleo est a cada dia investindo mais em tecnologias de extrao de petrleo, transporte de produtos e manuteno de equipamentos. Isso representa ganhos econmicos, na forma de melhoria de desempenho, e ambientais, na forma de melhoria da segurana dos equipamentos.

No caso da Petrobras, a maior parte da produo do petrleo se encontra no mar, mais precisamente na Bacia de Campos (aproximadamente 82% correspondendo Bacia de Campos e 65% sendo feita em guas com profundidade maior que 400m). J que grande parte da matria prima est no mar, surgiu uma necessidade de explorao em guas profundas, o que levou utilizao de dutos flexveis, que so compostos de camadas de aos e polmeros. Quando esses tubos fazem a ligao vertical entre a plataforma e o poo, esses dutos so denominados risers e esto submetidos a um grande nmero de esforos e fatores que podem levar ao seu rompimento e falha em servio. Vrias investigaes tm sido feitas nessa rea (WITZ 1996, OUT 1995, BOGARIN 1996, LEMOS 2005) na tentativa de avaliar esforos, deslocamentos e comportamento dos tubos, tanto atravs de simulaes como por medies prticas em laboratrio, onde trechos de risers so submetidos a ensaios de trao, toro e fadiga. Existe, portanto, uma grande preocupao com a manuteno das plataformas e de todo equipamento ligado extrao de petrleo do fundo do mar.

Dentre outras reas de pesquisa, o estudo de mtodos no destrutivos que avaliem a integridade de risers tem recebido bastante ateno, j que a falha de um componente desse tipo pode acarretar conseqncias drsticas como desastres ecolgicos (derramamento de petrleo no mar) e problemas econmicos (quedas de produo), podendo at fazer uma plataforma afundar. Isso se deve possibilidade de rompimento de um tubo que esteja conduzindo gs ou ar, ocasionando acmulo de gs abaixo da plataforma, queda na

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densidade da gua e perda da sustentao da plataforma. importante, portanto, desenvolver tcnicas que permitam a inspeo no intrusiva peridica ou contnua desses dutos sem a necessidade de paradas de produo. Dentre as tcnicas de ensaios no destrutivos, a emisso acstica demonstra grande potencialidade.

A Emisso Acstica (EA) uma tecnologia poderosa em desenvolvimento nas ltimas dcadas como uma tcnica de ensaio no destrutivo para monitoramento de defeitos e crescimentos de trincas em diversos equipamentos: vasos de presso, sistemas de dutos e reatores, entre outros. Essa tcnica se baseia na leitura e anlise de uma onda sonora que emitida quando o material em questo alivia a energia elstica acumulada, por exemplo, na forma de uma trinca. A corroso no fundo de tanques de leo tambm produz sinais acsticos que se propagam pelo leo lquido at a parede do tanque, onde ela pode ser detectada. Essa tcnica se torna, portanto, uma importante ferramenta para a manuteno de linhas de alta presso e de outros equipamentos de alta segurana, os quais podem causar verdadeiros desastres caso falhem em servio (VALLEN 2007).

A Emisso Acstica permite o emprego de tcnicas de reconhecimento de padres para associar os resultados acsticos a parmetros de integridade estrutural. Isso pode gerar uma automatizao do processo de monitorao de risers flexveis, o que acaba tornando esse tipo de estudo um atrativo econmico.

3

2.0 REVISO BIBLIOGRFICA

Grande parte da produo brasileira de petrleo se encontra no mar e faz uso de componentes e estruturas marinhas como plataformas, amarras, bias e dutos. Essas estruturas comumente esto submetidas a esforos mecnicos pela movimentao das ondas, corroso devido atmosfera martima e desgaste dos componentes. Desde o incio da explorao de gs e petrleo em guas profundas, tubos flexveis foram considerados a melhor opo para o transporte de fluidos (MARINHO 2007). Esse tipo de tubo mais fcil de ser instalado, transportado e operado do que tubos rgidos. Uma outra vantagem, que diferente dos tubos rgidos, os flexveis podem ser recuperados e reinstalados.

Os primeiros tubos flexveis foram instalados em 1977, no campo de Garoupa, na Bacia de Campos. Atualmente, aproximadamente 80% da produo brasileira de petrleo e gs produzida por tubos flexveis (CARNEVAL 2006). Uma rede aproximada de 5.300km desses dutos conecta as diversas estruturas de produo (bias, plataformas, etc...) e existem aproximadamente 1200 tubos flexveis em operao no Brasil.

Devido grande importncia econmica, diversos estudos foram direcionados para a avaliao de risers, no somente no Brasil (BOGARIN 1996, LEMOS 2005) mas a nvel mundial (WITZ 1996, OUT 1995), medida que pesquisadores comearam a se preocupar em como inspecionar a qualidade e vida til dos tubos. Em 1995, Patel apresentou uma reviso de trabalhos (PATEL 1995) que citava diferentes tcnicas para a anlise esttica e dinmica de risers, onde se levava em conta o estudo de foras, deformaes e momentos fletores relacionados ao tubo. Algumas dessas tcnicas incluem o uso de elementos finitos, anlises dinmicas no domnio tempo e desenvolvimento de programas que utilizam meios analticos e numricos para prever o comportamento dos risers.

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Mais tarde, LYONS (1996) apresentou um trabalho onde um riser da plataforma Emerald Producer instrumentado e monitorado atravs do uso de extensmetros (strain gages) e algoritmos tipo Rainflow, sendo tambm montado um sensor de Emisso Acstica. Apesar de ser citado nesse trabalho que a tcnica de Emisso Acstica muito promissora, nenhum resultado apresentado.

Esse estudo incentivou pesquisadores do mundo inteiro a trabalhar com tcnicas no destrutivas, no intrusivas e que possam fazer o monitoramento contnuo dessas estruturas como: anlises de vibraes, emprego de fibras ticas e mtodos magnticos para medio de tenso e emisso acstica. Como consequncia, surgiu a necessidade de anlise desses dados e reconhecimento de padres. Mtodos estatsticos como anlise de agrupamentos (GODIN 2004) e redes neurais (DA SILVA 2006) vm sendo estudados na tentativa de criar um sistema para automatizao desse monitoramento.

2.1 Tubos Flexveis e componentes associados

2.1.1 Tubos flexveis

Tubos flexveis so tubos para alta presso feitos de uma combinao de camadas que os torna deformveis no dobramento e fortes e rgidos em carregamentos simtricos ao eixo como: presso, tenso e toro. Isso possvel devido aos elementos selantes, que so cilindros polimricos flexveis, e aos elementos suportadores de carga, que so tiras de ao helicoidais dispostas ao redor dos cilindros. Dois tipos genricos apareceram nas ltimas duas dcadas: o tubo flexvel sem elementos adesivos entre as camadas e o tubo flexvel com os reforos de ao ligados a uma matriz elastomrica (OUT 1995).

Tipicamente, um tubo flexvel contm as seguintes camadas principais (BOGARIN 1996), mostradas na Figura 2.1:

uma camada interna feita de ao contra colapso para resistir a presses externas e efeito de confinamento durante carregamento axial;

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uma camada polimrica a prova de vazamentos ou uma camada compsita de borracha reforada por fibras;

camadas de armaduras de trao e presso com tiras (tambm chamadas de arames) de ao aplicadas de forma helicide para resistir cargas axiais e presso interna;

uma camada externa plstica impermevel que mantm as armaduras juntas e as protege de corroso externa, abraso e dano.

Figura 2.1: Camadas do riser (adaptado de TECHNIP 2007).

Os diferentes tipos de tubo so caracterizados pela sua funo (Figura 2.2). Existem assim flowlines, risers flexveis estticos e dinmicos e jumpers. As definies de cada tubo flexvel de acordo com a norma da Petrobras CONTEC N-2409 (COMISSO DE NORMAS TCNICAS PETROBRAS 2004) so as seguintes:

Flowline: tubo flexvel deitado no fundo do mar ou enterrado, usado para ligar dois equipamentos submarinos, equipamento submarino a um riser flexvel ou mesmo para interconectar risers flexveis.

Riser flexvel esttico: tubo flexvel usado para ligar um tubo rgido ou flexvel instalado no fundo do mar a uma planta de produo de uma plataforma fixa, acima da

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superfcie, passando atravs de um tubo I ou de um J ou ancorado na superfcie da plataforma.

Riser flexvel dinmico: tubo flexvel normalmente utilizado para conectar equipamentos submarinos, incluindo tubos, a uma unidade flutuante, a uma plataforma fixa na superfcie, a uma unidade fixa ou mesmo duas unidades flutuantes.

Jumper: seo curta de um tubo flexvel. Pode precisar de requisitos adicionais de acordo com a sua aplicao.

Figura 2.2: Linha de produo de petrleo e designaes (adaptado de BAI 2001).

Tubos flexveis podem ter as camadas aderidas ou no aderidas (LEMOS 2005). Nos tubos de camadas aderidas (bonded pipes) no ocorre deslizamento entre as mesmas. As camadas polimricas so compostas por elastmeros vulcanizados contendo reforos metlicos em seu meio. Nos tubos de camadas no aderidas (unbonded pipes) pode ocorrer deslizamento entre as mesmas.

A rugosidade da camada interna tambm um critrio de classificao (LEMOS 2005). Os tubos nos quais a camada mais interna formada de tiras intertravadas so chamados de Rough Bore. So usados para o transporte de fluidos que possam conter

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gases livres ou dissolvidos (como o caso do leo produzido) ou em casos onde necessrio um aumento da resistncia ao colapso no caso de quedas de presso internas. Existem tambm tubos, denominados de Smooth Bore, onde a camada mais interna formada por uma camada plstica, sendo utilizado para transporte de produtos sem a presena de gs, por exemplo, injeo de gua. Caso existisse gs no fluido transportado, parte dos gases permearia atravs da camada polimrica acumulando-se na regio anular (entre camadas). Na ocorrncia de despressurizao rpida no interior do tubo, o gs tenderia a retornar imediatamente para dentro do tubo, causando o colapso da camada interna.

2.1.2 Conectores (End fittings ) As terminaes de um tubo flexvel (Figura 2.3) so conhecidas como conectores

(end fittings), sendo utilizadas para conectar os tubos a plataformas, tubos e outras estruturas.

Figura 2.3: ConectoresEnd fittings (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2002).

Os conectores (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2002) podem ser construdos durante a manufatura do tubo ou em campo e tm como propsitos principais:

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Terminar todos os elementos de fora na construo do tubo de modo que cargas axiais e momentos fletores possam ser transmitidos para o conector sem afetar as camadas contentoras de fluidos;

Fornecer uma transio de presso entre o corpo do tubo e o conector.

Essas terminaes para os tubos representam concentradores de tenso para fadiga (SAEVIK 1995). Isso ocorre devido curvatura do tubo que preso na terminao e fixao dos vrios elementos do tubo flexvel em uma estrutura rgida. A fim de estabelecer uma transio menos abrupta, a terminao comumente envolta por um componente polimrico limitador de movimento chamado de Bend Stiffner.

A montagem do conector pode ser vista na Figura 2.4. Uma das pontas do riser descascada at se chegar nas tiras mais externas. As tiras so ento dobradas e encaixadas no conector de acordo com um procedimento que muda de acordo com a configurao do conector. Uma vez que as tiras foram presas terminao, uma resina vazada de modo a preencher os vazios entre as tiras. Comumente, durante a montagem, as tiras so aquecidas com tochas ou maaricos para facilitar seu dobramento.

Figura 2.4: Montagem do conector (MARINHO 2006).

Outras estruturas como cabos de multi-camadas (GAILLET 2004) e cabos de ancoragem (HANZAWA 1982) possuem terminaes muito parecidas com as dos conectores dos risers, onde os arames individuais so deslocados, colocados dentro de

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uma terminao, dobrados e o espao interior preenchido com resina ou com metal branco.

No Brasil no existe procedimento de montagem de conectores. O aquecimento das tiras e os ngulos de dobra no so controlados. Assim sendo, muitas dessas tiras podem ser fragilizadas durante essa etapa, o que pode deteriorar a vida til do riser. Essa fragilizao pode ser resultado de: um sobreaquecimento dos arames e formao de estruturas como austenita, de um resfriamento descontrolado que gera martensita no revenida, ou at de um aumento de rugosidade e iniciao de trincas devido ao dobramento dos arames e encruamento do material.

A indstria nacional j demonstrou preocupao com esse tipo de problema e pesquisa de um procedimento de montagem dos conectores nos risers j est em desenvolvimento.

2.1.3 Limitadores (Bend Stiffners/Bend Limiters) Esses limitadores normalmente so usados para aplicaes dinmicas mas

tambm podem ser usados para aplicaes estticas (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2004). So projetados para resultar em nenhum dobramento do tubo por um comprimento de aproximadamente um dimetro externo do tubo a partir do conector. Abaixo disso, permitido que o dobramento cresa gradualmente dentro de certos limites.

Assim, os bend stiffners tem como propsito reduzir as concentraes de tenso globais e locais. Eles tambm fornecem uma transio de rijeza mais suave, movendo a localizao crtica de fadiga para fora da regio da terminao (SAEVIK 1995).

2.1.4 Mecanismos de Dano

Na norma CONTEC N-2409 da Petrobras (COMISSO DE NORMAS TCNICAS PETROBRAS 2002) so citados vrios modos de falha, que definida como sendo um evento que faz o tubo no atuar como especificado. Os tipos de falha so agrupados de acordo com o lugar onde ocorrem:

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Falhas nas Camadas Estruturais:

Ruptura de tiras da camada estrutural causada por tenso, presso interna, compresso radial, toro, curvatura ou combinao de alguma dessas cargas;

Ruptura por fadiga do material constituinte da camada estrutural;

Deformao excessiva permanente ou temporal da camada causada por cargas;

Colapso da carcaa ou armadura de presso causado por presso externa aplicada em camadas polimricas mais leves que a gua;

Colapso da carcaa ou armadura de presso causado por aperto da armadura de trao, associado ou no com qualquer outra carga radialmente compressiva atuando simultaneamente no tubo.

Formao de gaiola de pssaro (birdcaging) da armadura de tenso causada por frico entre duas camadas estruturais;

Perda de acoplamento entre estruturas de acoplamento causado por dobramento excessivo, toro excessiva ou compresso axial durante instalao ou operao;

Desgaste excessivo causado por frico entre duas camadas estruturais;

Corroso excessiva, degradao qumica e/ou biolgica, ou abraso de qualquer camada estrutural causada por fenmeno galvnico, fluidos agressivos ou abrasivos ou por contato do meio ambiente com a camada estrutural;

Falhas na Barreira de Presso:

Ruptura causada por presso interna, tenso, toro, dobramento ou pela combinao de algumas dessas cargas;

Extruso excessiva da camada de presso atravs de espaos entre arames/tiras da camada estrutural adjacente, causada por efeito da presso, para os limites de temperatura considerados, incluindo deformaes de curta e longa durao;

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Ruptura do material por fadiga;

Desgaste excessivo causado por frico com outra camada;

Dano camada devido ao rasgamento intermolecular ou interlamelar do material, causado por despressurizao de gs difundido no material polimrico da barreira de presso;

Degradao qumica excessiva causada pela ao de fluidos ou ambiente externo;

Perda de propriedades fsicas causada pela temperatura do fluido interno ou ambiente externo;

Eroso excessiva causada por fluido interno ou abraso causada por pigs (sistemas de inspeo de dutos dotados de sensores);

Difuso excessiva de gs causada por envelhecimento, fadiga/desgaste, eroso ou empolamento.

Falhas no End Fitting:

Escoamento de qualquer parte estrutural do conector causado por tenso, presso, dobramento, toro ou combinao dessas cargas;

Colapso hidrosttico da estrutura do conector;

Ruptura da estrutura do conector por fadiga;

Corroso ou degradao excessiva de qualquer parte estrutural do conector causada pela ao do fluido interno ou ambiente externo;

Perda de propriedades fsicas de qualquer parte estrutural do conector induzida pela temperatura do fluido interno ou do ambiente externo (incluindo fragilidade por temperatura ou concentrao de tenso residual);

Perda do sistema de ancoramento das armaduras de trao causada por tenso, presso, dobramento, toro ou combinao de algumas dessas cargas;

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Deslocamento relativo excessivo entre os cantos das camadas e do corpo do conector;

Vazamento atravs do sistema selante (interno ou externo), observado quando tenso, presso dobramento ou toro so aplicados;

Dano ao sistema selante (interno ou externo) causado por fadiga;

Dano regio da barreira de presso em contato com o conector causado pela ao de tenso, presso, dobramento, toro ou combinao de algumas dessas cargas;

Degradao de curta ou longa durao do sistema selante (interno ou externo) ou da resina de enchimento causado por agentes fsicos, qumicos ou corrosivos e pela temperatura do fluido interno ou ambiente externo.

Falha por Aumento de Peso do Tubo:

Causado por cera ou depsitos orgnicos;

Existe na norma API 17B (AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE 2002) uma tabela onde so relacionados diversos tipos de falhas de tubos flexveis, divididos pelo modo de falha dos componentes: colapso, estouro, falha por tenso, falha por compresso, excesso de dobramento, falha por toro, falha por fadiga, eroso e corroso. Na grande maioria dos casos, os modos de falha so os mesmos citados pela CONTEC N-2409 (COMISSO DE NORMAS TCNICAS PETROBRAS 2004).

Juntamente com a avaliao dos possveis tipos de falha, estudos estatsticos so feitos para que sejam verificados quais so os tipos de falhas mais comuns. Geralmente so estudos demorados e de alto custo, j que necessrio esperar que o componente falhe e seja substitudo.

Um trabalho feito pela MCS (MCS INTERNATIONAL 2001) para a UKOOA (United Kingdom Offshore Operators Association) sobre 106 falhas de tubos flexveis

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revela que a maior parte das falhas (76%) se deram na instalao e no durante a operao dos mesmos (24%). Os cinco tipos mais comuns de falha encontrados foram:

1 - Camada externa danificada

A maior parte desse tipo de dano (Figura 2.5) ocorre durante a instalao, e pode fazer a armadura do riser ser exposta corroso-fadiga, reduzindo drasticamente a vida til do riser de 20 para 2 anos.

Figura 2.5: Dano camada polimrica externa (MARINHO 2006).

2 - Degradao da camada interna

Os dados estatsticos mostraram que geralmente esse tipo de falha ocorre dentro dos primeiros 4 anos, e que parece ser um problema de projeto. sugerido que o riser pode estar operando fora das especificaes de carga.

3 - Falha do PVDF e End Fitting

Comparado com outros termoplsticos, o PVDF (Polyvinylidene Fluoride) tem um alto coeficiente de expanso trmica. Assim, ciclos de expanso e contrao da camada interna causados por ciclos de temperatura (parada da produo seguida por reincio) resultam em arrancamento da camada interna do end fitting. Esse problema agravado pelo encolhimento do PVDF devido perdas de plastificante perto da ligao do end fitting.

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4 - Desordem dos arames da armadura ou formao de Gaiolas de Pssaro (Birdcaging)

A desordem dos arames um modo de falha significativo e parece ocorrer quando o tubo limitado em um raio estreito. Essa desordem tende a ser local e no em todo o comprimento do riser. Exemplos incluem cintas para erguer risers ou restrio por uma estrutura de ancoragem. Se grandes espaos ocorrerem entre os arames, a camada da armadura de presso fica desprotegida, podendo resultar em pequenos vazamentos ou at em falhas catastrficas.

5 - Canais de ventilao bloqueados

H um grande nmero de casos em que a falha do tubo ocorreu devido ao bloqueio das sadas de ventilao. Gases permeiam para dentro do tubo e a presso sobe consideravelmente. Eventualmente as armaduras do tubo estouram a camada externa catastroficamente ou fazem a camada interna colapsar.

Trabalhos feitos pela indstria petrolfera brasileira revelam que muitas falhas tiveram origens em comum com as citadas anteriormente. As principais causas de falhas (CARNEVAL 2006) so: ruptura de arames de trao causada por fadiga na interface tubo/conector, degradao da camada interna selante, deslocamentos dentro do conector, corroso da armadura e da carcaa e instabilidade torcional. O rompimento das armaduras por fadiga (Figura 2.6) tambm citado por MARINHO (2006 e 2007), que acrescenta que esse processo pode ser acelerado por corroso.

Figura 2.6: Arames da armadura de trao rompidos (MARINHO 2006).

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2.1.5 Fadiga de risers

A fadiga um fenmeno de falha bastante complexo e extenso. Nessa reviso so citados apenas alguns elementos bsicos para familiarizar o leitor e permitir o seu entendimento dos trabalhos apresentados. Maiores detalhes sobre fadiga podem ser encontrados na literatura (SURESH 1998, HEARN 1997)

A fadiga uma forma de falha catastrfica que ocorre em estruturas submetidas a esforos cclicos. Nessas circunstncias, possvel que a estrutura falhe em uma tenso

consideravelmente menor do que a sua tenso de resistncia (CALLISTER 2000). A tenso aplicada, flutuante, pode ser axial, flexural ou torcional.

Uma vez que a fadiga depende de esforos flutuantes, a faixa de carregamento

ser definida por uma tenso mxima (max) e uma tenso mnima (min). A tenso mdia (m) obtida somando-se a tenso mxima e a mnima e dividindo-se por dois. A razo de tenses (R) definida por:

max

minR

=

Equao 1

Componentes como tubos, risers, soldas e outros ligados a tubos de transporte de petrleo, devem ter a sua vida em fadiga levada em considerao, j que esta um fator determinante para a vida til dos mesmos (BAI 2001). A terminao superior onde o riser encontra a plataforma foi identificada como sendo a rea onde ocorre o maior carregamento do riser (SAEVIK 1995). J que essa regio pode ser limitadora em relao vida em fadiga do tubo, uma soluo a utilizao de bend stiffners.

Carregamentos cclicos que podem causar fadiga incluem: vibraes induzidas por vrtice (vortex induced vibrations VIV), cargas hidrodinmicas induzidas por ondas, movimentos da plataforma e cargas resultantes de presses cclicas e expanso trmica. A vida em fadiga do componente definida como o tempo que ele leva para desenvolver uma trinca que atravesse sua parede (BAI 2001).

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As cargas hidrodinmicas induzidas por ondas consistem do aparecimento de tenses resultantes do choque de ondas contra os risers. Bai (BAI 200)1 sugere que se faa um mapeamento da altura, direo e distribuio das ondas, de modo a identificar qual o estado do mar que causa a maior contribuio para fadiga. Os movimentos da plataforma causam fadiga de baixo ciclo e um estudo de posio e deslocamentos da plataforma deve ser feito para a predio da vida em fadiga dos risers.

Vibraes induzidas por vrtice (BAI 2001) so, provavelmente, o problema de projeto mais importante para risers metlicos catenrios, especialmente quando grandes correntes martimas esto envolvidas. Vibraes de alta freqncia do riser devido formao de vrtices resultam em carregamentos cclicos de alta freqncia e em altas taxas de dano por fadiga.

SAEVIK (1995) fez ensaios de fadiga em dois risers de 4 polegadas de dimetro e descreve que aps um determinado nmero de ciclos, o riser comeou a deformar e a torcer. A toro resultado do rompimento de diversos arames da camada de trao o que acaba redistribuindo o campo de tenses. Ao abrir os corpos de prova, o autor observou desgaste de algumas regies das camadas internas devido ao roamento (fretting) dos arames. Foram encontrados tambm resduos de xido de ferro.

2.2 Emisso Acstica (EA) A emisso acstica um fenmeno natural que ocorre em uma grande faixa de

materiais, estruturas e processos (ASM 1989). As emisses acsticas de maior escala so eventos ssmicos, enquanto que as menores so movimentos de poucas discordncias em materiais deformados. Dentro dessa faixa, encontramos muitos outros eventos como: emisses acsticas devido corroso de fundo de tanques, descargas eltricas, trincas crescendo em vidros, deformao plsticas de metais, rudo de areia sendo jogada pelo vento em uma estrutura e peas soltas. O fenmeno da emisso acstica basicamente uma transformao de energia, que pode ser qumica, mecnica ou eltrica, em ondas mecnicas (energia sonora). A partir desse fenmeno, surgiu a tcnica no destrutiva denominada Ensaio de Emisso Acstica.

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A inspeo atravs de EA a anlise dos sinais sonoros na faixa de ultra-som, em torno de 100 a 300kHz (PUMAREGA 2002), que so capturadas por transdutores, convertidos em sinal eltrico e armazenados. O sinal captado processado e atravs da analise de alguns parmetros relacionados a esses sinais possvel fazer uma triangulao, definir a localizao da fonte e at diferenciar fontes. A triangulao baseada na diferena de tempo de chegada do sinal sonoro em dois ou mais sensores (Figura 2.7).

Figura 2.7: Emisso acstica em um vaso de presso cilndrico.

Se houver apenas um sensor, o mtodo mais comum localizar a fonte atravs da movimentao do sensor. O sinal sonoro fica mais forte medida que o sensor se aproxima da fonte, j que a onda sofre menos efeitos de atenuao, como ser visto mais adiante. No entanto, o arraste do sensor na amostra gera energia friccional e resultar em rudo. Esse mtodo pode ser utilizado quando existe um sinal acstico contnuo, no sendo indicado para situaes onde ocorrem eventos acsticos singulares.

A diferenciao de fontes baseada no fato de que a resposta sonora de um material depende da sua microestrutura e modo de deformao, entre outros fatores, e portanto pode-se esperar uma grande variedade de resposta de EA (ASM 1989). Materiais frgeis e heterogeneidades so fatores que levam a uma alta emissividade, picos bem definidos e de alta amplitude. Mecanismos de deformao dcteis, como

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coalescimento de microcavidades em metais macios, esto associados baixa emissividade, picos mais dispersos e de baixa amplitude.

Ao contrrio de outras tcnicas de inspeo, a emisso acstica requer que o material testado libere energia na forma de uma onda sonora, e isso normalmente significa que o material deve ser carregado mecanicamente. A Emisso Acstica (SOARES 2008) um fenmeno onde ondas elsticas transientes so geradas pela rpida liberao de energia mecnica a partir de fontes localizadas em um material ensaiado. Isso ocorre porque qualquer material slido que deformado, ou que est submetido a uma fora externa, possui uma energia elstica relacionada a esse efeito externo (essa energia tambm pode estar relacionada a outras fontes como calor, por exemplo). Quanto maior a fora, ou a deformao, maior a energia armazenada no material. Se o limite elstico do material excedido, o material pode se deformar plasticamente ou pode trincar, liberando essa energia na forma de uma onda sonora (conhecida como Evento Acstico) que ir percorrer o material. Durante a deformao plstica, discordncias se movem atravs da rede cristalina do material e esses movimentos tambm produzem emisses acsticas que podem ser medidas em laboratrio (VALLEN 2007). Conclui-se, assim, que a EA uma tcnica passiva e receptiva, diferente da tcnica de ultra-som, por exemplo, onde medida a resposta do material a uma excitao acstica artificial e repetitiva.

Apesar de grande parte dos trabalhos em EA se focarem em equipamentos industriais como vasos de presso e reatores, a tcnica de emisso acstica j foi utilizada com sucesso em diferentes aplicaes. Na rea de medio de aderncia de revestimentos via teste de riscamento (scratch test), GALLEGO (2005) utilizou wavelets para analisar o sinal de EA proveniente de um ao galvanizado. PIOTRKOWSKI (2005) fez um trabalho semelhante; porm, comparando a adeso de revestimentos de TiN e CrN. A avaliao de propriedades mecnicas via EA outra rea que j produziu muitos trabalhos com temas completamente distintos. Dentre eles, podemos citar um estudo de fadiga em blocos de gua do mar congelada (LANGHORNE 1996), medidas de resistncia a fratura de compsitos de fibra de vidro e polipropileno (BENEVOLENSKI 2003), monitoramento

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de defeitos durante secagem de madeira (KAWAMOTO 2008) e avaliao de corroso sob tenso de cabos em soluo porosa de concreto simulada (RAMADAN 2008).

2.2.1 Fontes de Emisso Acstica

Pensando em uma escala mais geral, na qual o estudo da emisso acstica implica em analisar qualquer emisso sonora, ento deveriam ser citadas fontes como: a passagem de ar por orifcios (voz, sons animais e pedras que assobiam), a gerao de ondas sonoras devido transferncia de energia cintica de pedras que caem, carros que passam, arcos eltricos e at mesmo a chuva. No entanto, para a maioria dos estudiosos da tcnica de emisso acstica, os fenmenos citados acima so normalmente considerados rudos a serem evitados, j que podem dificultar o estudo do componente em questo. Isso ocorre porque o grande foco da tcnica de emisso acstica a manuteno de equipamentos, estudos de vida til de estruturas e preveno de desastres geolgicos. Na prtica, cada pesquisador acaba definindo no seu estudo quais so as fontes de emisso acstica de interesse e o que ser considerado rudo.

A Emisso Acstica pode ser gerada pelo vazamento de lquidos em vasos de presso (MOORTHY 1995). Mas no caso de pequenos vazamentos que no gerem um fluxo turbulento, pode no haver emisso acstica (MILLER 1999) ou a emisso acstica ser de amplitude muito baixa (VALLEN 2007). Emisses significativas ocorrero quando ocorrer um vazamento de grande porte, ou um fluxo turbulento, que pode ser agravado pela presena de bolhas e/ou partculas(VALLEN 2007, MILLER 1999).

Fenmenos que envolvem deformao como escoamento (MOORTHY 1995), maclagem (VALLEN 2007) e crescimento de trincas (PUMAREGA 2002, VALLEN 2007) tambm geram emisso acstica. Apesar de a maior parte dos trabalhos envolver o estudo de EA em componentes metlicos, emisso acstica pode ser gerada pelo crescimento de trincas em madeira (LANDIS 2000), em concreto (LANDIS 2002), na gua do mar congelada (LANGHORNE 1996) e em vrios outros materiais. O aparecimento de trincas em revestimentos e descolamento entre o substrato e filmes protetores (PIOTRKOWSKI 2004) tambm gera emisso acstica.

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Pumarega (PUMAREGA 2002) afirma que possivelmente existem apenas dois mecanismos importantes como fontes de sinais de EA em metais: criao e propagao de discordncias e criao de novas superfcies por trincas ou decoeso de incluses.

Na rea especfica de materiais ferrosos, verifica-se que a emisso acstica tambm pode ser gerada pela sbita magnetizao de materiais (RUIZ 2005). A Emisso Magneto-Acstica (SANCHEZ 2004) consiste na gerao de ondas elsticas devido s rpidas e descontnuas mudanas na magnetizao do material, que induzem deformaes locais (magnetoestrico).

A corroso em fundos de tanques (VALLEN 2007) tambm pode gerar emisso acstica. Isso ocorre tanto pelo desprendimento de bolhas de gs como pelo descolamento de filmes e partculas aderidas ao substrato.

No que se refere a materiais compsitos fontes de emisso acstica comuns so o destaque de junes coladas (VALLEN 2007), quebra de fibras (DRUMMOND 2007, VALLEN 2007), e abraso/frico entre elementos de cabos (CASEY 1985, DRUMMOND 2007).

RUZZANTE (1998) divide as fontes de emisso acstica em dois grupos, o primeiro envolve apenas os fenmenos microestruturais e o segundo todos os fenmenos que no esto relacionados com a microestrutura do material (Figura 2.8).

Movimento das paredes dos domnios magnticos Multiplicao e movimento de discordncias Transformaes martensticas Decoeso de precipitados Crescimento e propagao de trincas

Grupo I

Processos de Corroso Perdas de gases ou lquidos Processos de soldagem Desgaste de rolamentos Deteco de peas soltas

Fontes de EA

Grupo II

Deteco de descargas parciais em transformadores de alta tenso

Figura 2.8: Classificao de fontes de EA segundo Ruzzante (RUZZANTE 1998).

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2.2.2 Propagao de Ondas

Quando um tomo ou molcula deslocado da sua posio de equilbrio por uma fora, tenses internas agem de modo a restaurar as partculas suas posies originais. Devido s foras interatmicas entre partculas adjacentes de material, o deslocamento de um ponto induz deslocamentos nos pontos vizinhos, propagando assim uma onda elstica (ASM 1989). A amplitude, modo de vibrao e velocidade das ondas diferem em slidos, lquidos e gases justamente devido s diferenas na distncia mdia entre as partculas em cada um desses casos. Assim, ondas tero uma maior velocidade em slidos e menor em gases.

Existe uma relao entre a velocidade da onda em um slido, o seu comprimento de onda e a frequncia da onda. Como na maioria dos casos a velocidade da onda no material no varia, frequncias maiores geram comprimentos de onda menores, e frequncias menores esto associadas a comprimentos de onda maiores, de acordo com a equao seguinte:

f V =

Equao 2

onde V velocidade (m/s), f a freqncia (Hz) e o comprimento de onda (m).

Ondas Longitudinais Tambm conhecidas como ondas de compresso, as ondas longitudinais se

deslocam no material como uma srie de compresses e rarefaes nas quais as partculas que transmitem a onda vibram na mesma direo de deslocamento da onda (Figura 2.9).

Figura 2.9: Ondas longitudinais (ANDREUCCI 2008).

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Esse tipo de onda capaz de se propagar em slidos, lquidos e gases, o que importante para a tcnica de EA em situaes em que a fonte est longe do transdutor e o sinal deve passar por um meio lquido, como o caso de fundos de tanques. Dentre os tipos de onda, as ondas longitudinais so as mais velozes.

Ondas Transversais Podem ser imaginadas como se fossem vibraes de uma corda que movida

ritmicamente, sendo que cada partcula vibra numa direo perpendicular direo de propagao da onda (Figura 2.10), diferentemente do que acontece nas ondas longitudinais.

Figura 2.10: Ondas transversais (ANDREUCCI 2008).

Esse tipo de onda no se propaga em lquidos e gases, e a sua velocidade tipicamente 50-60% da velocidade das longitudinais.

Ondas Superficiais (Ondas de Rayleigh) So ondas que viajam em interfaces ligadas, por um lado por foras elsticas

fortes de um slido e por outro por foras elsticas negligenciveis entre molculas de gs, como ocorre na maioria dos casos em superfcies de slidos macios.

A velocidade desse tipo de onda aproximadamente 90% da velocidade de uma onda transversal no mesmo material.

Ondas de Lamb So ondas que percorrem chapas muito finas de material, tipicamente na ordem de

alguns comprimentos de onda. Consistem de uma vibrao complexa que ocorre na

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espessura do material e suas caractersticas de propagao dependem de fatores como densidade, propriedades elsticas e estrutura do material, espessura da amostra teste e frequncia.

2.2.3 Atenuao do Sinal de Emisso Acstica

A amplitude medida pelo sensor de emisso acstica depende da verdadeira atenuao da onda sonora que perde energia para o material e tambm das disperses que a onda sonora sofre medida que interage com incluses e contornos de gro. Como as ondas dispersas por fenmenos como reflexo, refrao e difrao acabam no chegando no sensor, considera-se que a disperso um caso de atenuao do sinal.

Denomina-se atenuao geomtrica o caso em que se considera que o material perfeitamente homogneo e que no h perdas de energia. A onda acstica , que possui o formato esfrico (SOARES 2008), ter um aumento na sua frente de onda medida que ela percorre o material. Para conservar a energia, necessrio diminuir a amplitude da onda. Uma analogia feita na Figura 2.11, onde observa-se que para manter a mesma rea da casca cilndrica, medida que se aumenta o raio, necessrio diminuir a altura da casca.

Figura 2.11: Analogia atenuao geomtrica.

A atenuao por disperso um dos resultados da interao da onda sonora com materiais que so policristalinos e/ou possuem defeitos como incluses e poros. Quando uma onda sonora encontra um obstculo de tamanho (D) muito prximo ou menor do que o seu comprimento de onda (), a frente de onda que se movia em determinada direo pode ser dispersa em um maior nmero de direes. BLITZ (1996) cita que quando

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D/10, ocorre um caso especial onde a disperso ocorre em todas as direes, chamado de Disperso Rayleigh. Essa disperso muito importante para o caso de tcnicas como o ultra-som, onde a diminuio da frequncia da onda (e consequente aumento do comprimento de onda) atravs da seleo correta do transdutor pode reduzir consideravelmente a atenuao do feixe snico.

A disperso tambm pode ocorrer por fenmenos de reflexo/refrao. Uma onda sonora ao mudar de meio, por exemplo ao sair de uma incluso e entrar em um gro, ser dividida em duas, uma onda refletida e uma onda refratada. A quantidade de energia refletida e refratada depender basicamente da diferena de impedncia acstica entre os dois meios, sendo que quando maior for a diferena, maior a quantidade de energia refletida. No caso da onda refratada, o novo ngulo da onda depender das diferenas de velocidade entre os meios, de acordo com a Lei de Snell (CHEEKE 2002). Em alguns casos ainda, uma onda longitudinal pode atingir uma superfcie e se dividir em uma onda transversal e uma longitudinal.

BLITZ (1996) menciona tambm, trs casos de atenuao onde existem perdas energticas para o material. O primeiro caso a absoro em metais policristalinos devido frico entre os contornos de gro, fazendo com que a energia sonora seja convertida em calor. Essa atenuao aumenta em proporo direta com a frequncia. O segundo caso quando ocorre a presena de defeitos como discordncias ou vacncias de tomos, onde o material captura a energia sonora para eliminar os defeitos. O terceiro caso ocorre em metais ferromagnticos e em algumas substncias ferrimagnticas. A energia sonora que passa por esses materiais pode ser parcialmente convertida em energia magntica durante o meio ciclo positivo e de volta para energia sonora durante o meio ciclo negativo.

GRAYELI (1979) em seu trabalho utiliza a atenuao acstica para diferenciar um ao martenstico de um perltico, ambos com a mesma composio qumica. Ele argumenta que a atenuao dependente da microestrutura do material e da frequncia, j que a onda sonora afetada pela disperso nos contornos de gro e nas partculas de segunda fase, e atravs do levantamento de curvas de atenuao acstica por frequncia, possvel se fazer essa diferenciao.

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O efeito da atenuao na intensidade das ondas sonoras pode ser visto na Equao 3, onde se observa que a atenuao tem a forma de uma exponencial negativa (GOMEZ 2005):

x)(0eAA

= Equao 3

onde: A0(dB) a amplitude na origem, a atenuao por unidade de comprimento (dB/cm) e x o comprimento (cm).

GOMEZ (2005) fez medies de atenuao em Zircaloy-4 e verificou diferenas nas curvas de atenuao por frequncia em diferentes microestruturas do material estudado, de maneira similar ao trabalho de GRAYELI (1979).

2.2.4 Deteco e Equipamento de Emisso Acstica

A deteco e aquisio do sinal de emisso acstica envolvem uma srie de componentes e procedimentos. Tipicamente, sensores piezoeltricos so presos ao componente que vai ser monitorado, utilizado-se um acoplante entre o sensor e o componente. Os sensores, por sua vez, so ligados a pr-amplificadores, que so ligados a um sistema conversor analgico digital de aquisio de dados. estabelecido um limiar de aquisio, que basicamente ir definir o que rudo e quais so os sinais acsticos de interesse. So descartados os sinais que possuam uma amplitude menor do que a amplitude selecionada como limiar, enquanto que sinais com amplitude maior so adquiridos e armazenados na forma de banco de dados.

Acoplante

O uso de um agente acoplante crucial para a qualidade do acoplamento entre o sensor e a amostra, porque normalmente existe uma fina camada de ar entre as duas superfcies devido rugosidade dos componentes analisados. A impedncia acstica do ar 5 ordens de magnitude menor do que a impedncia da superfcie de medio e do sensor de EA, permitindo uma pequena transferncia de energia acstica nas frequncias tpicas de emisso acstica (THEOBALD 2008). O uso de um acoplante produz uma melhora na transmisso das ondas acsticas da ordem de 2 vezes para 100kHz e mais de

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10 vezes para 500kHz. Um acoplante tpico na forma de gel tem uma impedncia acstica 4 vezes maior do que a do ar.

Normalmente so usadas graxas com base em silicone, leo ou cola, e a camada de acoplante deve ser a mais fina possvel. Isso se faz colocando um pouco de acoplante no sensor e pressionando ele firmemente contra a amostra.

O acoplante no deve reagir de qualquer maneira com a amostra (corroso) e deve ser adequado para a temperatura do teste, j que alguns acoplantes se tornam frgeis a temperaturas relativamente baixas e podem trincar se o sensor se mover, gerando um falso sinal de emisso acstica.

Sensores para Emisso Acstica

Os sensores para o monitoramento de vida til de estruturas devem ser de fcil instalao e de deteco sensvel da degradao da estrutura. Esses sensores normalmente trabalham em uma faixa de 100kHz at 1MHz (OZEVIN 2006). A maior parte das aplicaes envolve o monitoramento de frequncias de 100 a 300kHz, sendo que comum a utilizao de sensores capazes de trabalhar com 25kHz para o monitoramento de corroso em fundo de tanques (VALLEN 2007).

Para satisfazer essas exigncias, existem no mercado diferentes modelos de sensores (sensores de contato e no contato), com tamanhos variados e baseados em uma grande gama de fenmenos diferentes. Abaixo so citados alguns deles.

Um modelo de sensor eletromagntico descrito por HUTCHINS (1986) e consiste de uma bobina montada em um magneto permanente. Um campo magntico aplicado na superfcie da amostra e o movimento do material devido passagem de uma onda sonora gera uma corrente parasita dentro da amostra. Uma segunda corrente ento induzida na bobina do sensor posicionado prximo a superfcie.

Sensores capacitivos (ALLIN 2003, OZEVIN 2006) so sensores que possuem duas placas metlicas paralelas com um pequeno espao cheio de ar entre elas que se comporta como um capacitor. A placa traseira fixa, mas a dianteira se desloca devido a

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variaes de presso. As duas placas (eletrodos) so ligadas a uma voltagem de referncia (bias voltage) e o movimento dessas placas gera uma corrente variante com o tempo. Esses sensores so usados quando a aplicao demanda que no ocorra contato entre a pea e o sensor.

Alguns sensores ticos so baseados em interfermetros laser (KLINE 1978). Nesse caso, um laser divido por uma srie de espelhos e divisores e colimado mais tarde no ponto de medio. medida que a superfcie onde o laser est incidindo se move, ocorrem mudanas no padro de franjas geradas pelo laser. A vantagem desse mtodo a capacidade de medir deslocamentos pontuais. No entanto, existem dificuldades j que necessrio fazer compensaes quando h vibraes indesejadas ou deslocamentos superficiais muito grandes.

Os sensores mais frequentemente utilizados em emisso acstica so os piezoeltricos (THEOBALD 2005, OZEVIN 2006, RUZZANTE 1998). A Figura 2.12 apresenta o esquema de um sensor piezoeltrico tpico.

Figura 2.12: Esquema de um sensor piezoeltrico tpico

O material piezoeltrico montado entre duas placas metlicas que suportam a tenso e atuam como eletrodos. Se nenhuma tenso aplicada, ento as cargas positivas e negativas tm o mesmo centro de gravidade (CHEEKE 2002) e no existe nenhum momento de dipolo molecular (polarizao zero). No momento em que uma tenso aplicada, ocorre uma distribuio no simtrica das cargas, o que faz com que os centros de gravidade no coincidam e seja gerado um momento de dipolo. Isso causa um

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acmulo de carga nos eletrodos e a uma diferena de potencial entre eles. Assim, a passagem de uma onda sonora na superfcie do material, gera uma diferena de potencial no sensor piezoeltrico que transferida para um sistema de aquisio.

Os sensores piezoeltricos podem ser encontrados na forma de transdutores ressonantes ou de banda larga. Os sensores de banda larga respondem a uma faixa larga de frequncias, mas em geral possuem uma menor sensibilidade do que os ressonantes. Os ressonantes possuem uma maior sensibilidade, mas detectam apenas uma faixa bem restrita de frequncias geralmente no entorno da mxima reposta nominal do sensor. Sensores de banda larga tpicos respondem a uma faixa de frequncia de 100kHz a 500kHz. Um dos sensores ressonantes mais utilizados o que tem a maior resposta em amplitude na frequncia de 150kHz. Em geral, os fabricantes dos sensores fornecem junto com o sensor uma curva de calibrao do sensor.

Muitas vezes esses sensores possuem pr-amplificadores embutidos. Isso feito porque h uma distncia mxima aceitvel entre o pr-amplificador e o sensor de EA, de modo que se tenha uma boa relao sinal/rudo e tambm por questes de praticidade.

A fixao dos sensores um fator importante porque na maioria dos casos o sensor no deve tremer e nem se deslocar. Mtodos comuns de fixao de sensores incluem o uso de prendedores magnticos, fitas elsticas, fixadores com parafusos e molas, abraadeiras ou at mesmo cola, de modo a garantir que uma fora constante est prendendo o sensor na amostra. Em algumas aplicaes utilizada uma guia de onda, que presa atravs de colagem ou soldagem no corpo de prova, para conduzir as ondas sonoras do componente estudado at o sensor. Esse tipo de situao pode ocorrer quando o componente est em uma rea perigosa, quando h temperatura elevada envolvida no processo ou dificuldade de acesso.

Pr-amplificadores e filtros de frequncia

Os pr-amplificadores so utilizados para amplificar o sinal fornecendo um ganho tpico de 100x (40dB) e deixando assim o sinal menos suscetvel a rudo dos cabos. necessrio ligar um pr-amplificador (ordem de 40dB) a uma distncia de no mximo at 40cm do sensor a fim de evitar atenuaes decorrentes do cabo de transmisso, uma vez

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que os cabos que ligam os sensores ao equipamento podem ter mais de 100m. A energia 28VDC para o pr-amplificador alimentada atravs do cabo do sinal (VALLEN 2007). Algumas vezes, os pr-amplificadores so montados dentro dos sensores para eliminar interferncia magntica (ASM 1989). Esse o caso dos dois sensores que foram utilizados neste trabalho, os sensores da empresa Physical Acoustics Corporation - PAC com os nomes R15IAST e WDIAST, onde o cdigo I significa que existe um pr-amplificador embutido no sensor.

Um pr-amplificador normalmente inclui filtros passa-alta ou passa-faixa para eliminar rudos de baixa frequncia A faixa de passagem mais comum de 100 a 300kHz, incluindo 150kHz que a frequncia ressonante mais comum para sensores. Para frequncias menores, existem problemas devido ao rudo de fundo de origem mecnica. Para frequncias maiores, a onda se atenua rapidamente e a faixa de deteco do sensor menor.

Os pr-amplificadores inevitavelmente geram rudo eletrnico e esse rudo que ajusta o limite do menor movimento detectvel do equipamento de EA. O menor sinal que pode ser detectado de aproximadamente 10V na sada do sensor, correspondendo a um deslocamento de superfcie de 25pm para sensores de alta sensibilidade (ASM 1989). Isso mais do que o necessrio para a maior parte das aplicaes da tcnica.

Deteco do sinal e parametrizao

Aps ter sido percebido pelo sensor e amplificado, o sinal chega ao instrumento principal onde novamente amplificado e filtrado. Isso feito atravs de circuitos comparadores que geram uma sada digital cada vez que o sinal de EA excede uma voltagem selecionada como limiar.

Uma das maneiras mais antigas e simples de quantificar a atividade de EA contar a quantidade de cruzamentos de limiar para cada sinal gerado pelo comparador. Esse parmetro denominado de Contagens. As contagens de EA so colocadas em grficos em funo do tempo ou da carga e at o incio da dcada de 1970, este era um dos principais parmetros analisados (ASM 1989)

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O desenvolvimento da tecnologia de EA coincidiu com um aprimoramento dos sistemas de hardware (placas de aquisio) e o surgimento de computadores com melhor capacidade de processamento. Nessa poca, surgiu o interesse na localizao de fontes e na medio de outros parmetros de EA relacionados aos sinais adquiridos (ver seo 2.2.2). Surgiu assim um novo princpio na instrumentao de EA que envolve a medio de parmetros chave de cada sinal que passe o limiar. Uma descrio digital gerada pelo hardware e passada, em seqncia com outras definies do sinal, para o sistema do computador, onde feito o armazenamento na forma de bancos de dados.

Sistema DiSP da PAC

O sistema DiSP o nome dado ao equipamento da PAC devido ao uso de placas PCI-DSP (Peripheral Component Interconnect - Digital Signal Processing). A placa PCI-DSP um sistema de 4 canais de aquisio de dados de EA, baseada no processamento digital de sinais montado em uma placa PCI (Figura 2.13).

Figura 2.13: Diagrama de Blocos de um sistema DiSP (PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION 2005).

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Todos os sistemas DiSP possuem a mesma arquitetura bsica sendo que o modelo mais simples o modelo que contm apenas uma placa PCI-DSP de 4 canais, que controla todo o grupo processando at 8 parmetros, 1 contador de ciclos e entradas e sadas de controle (PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION 2005). medida que vo sendo necessrios mais canais, outras placas de quatro canais so adicionadas. Normalmente as placas so montadas no mesmo chassi de um computador, no sendo necessrio um computador externo ao sistema para fazer a aquisio dos dados. Comercialmente, pode-se encontrar equipamentos de 8, 16, 24 e 56 canais.

O sinal de entrada entra diretamente a partir dos amplificadores e direcionado para as entradas das placas PCI-DSP-4. O evento acstico ento condicionado e passado para os circuitos de filtros escolhidos pelo usurio. O sinal filtrado passado para um mdulo conversor de 16 bits A/D, onde o sinal digitalizado a taxas de at 10MHz. A sada de 16 bits ento passada para o circuito de extrao de caractersticas do sinal (que converte o sinal em eventos e outros parmetros) e tambm passada para o mdulo especfico de gravao de forma de onda. Cada mdulo um circuito independente do outro que faz aquisio digital baseada em critrios que o usurio escolhe.

O mdulo de paramtricos utilizado para extrair os parmetros de EA do sinal captado. O sinal elevado ao quadrado, para que apenas o ciclo positivo seja considerado, e a parametrizao feita baseada em trs tempos de deciso (Figura 2.14) descritos no manual do equipamento (PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION 2005). O Peak Definition Time (PDT), uma funo baseada em tempo que permite a determinao do tempo do pico verdadeiro da forma de onda acstica. O PDT ativado quando o primeiro sinal cruza o limiar e comea a contagem regressiva at zero, a menos que um valor maior de amplitude ocorra. Nesse caso, o PDT recomea a contagem. O Hit Definition Time (HDT) tambm uma funo baseada em tempo que permite ao sistema determinar o fim do sinal, finalizar os processos de medio e armazenar os atributos do sinal. A contagem de HDT termina quando o ltimo cruzamento do limiar acontece. Finalmente o Hit Lockout Time uma funo que inibe a medio de reflexos e chegadas tardias de partes do sinal de EA. O circuito de HLT ativado pelo trmino do HDT. Essas

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funes podem assumir valores dentro de uma faixa de 30s at 130ms. Os valores

padres que o equipamento possui so: 200s para o PDT, 800s para o HDT e 1000s

para o HLT. O manual sugere valores mnimos de 300s para o HLT e de duas vezes o valor de PDT para o HDT.

Figura 2.14: Parmetros temporais de aquisio: PDT, HDT e HLT.

O mdulo de forma de onda utilizado para digitalizar a forma de onda e possibilitar a sua extrao em arquivos tipo banco de dados. Para fazer a aquisio, o usurio deve escolher a taxa de aquisio, o pre-trigger e o comprimento do sinal. A taxa de aquisio medida em Mega Samples Per Second (MSPS) e escolhida de uma faixa que vai de 1 at 10MSPS. A escolha de 1MSPS significa que o aparelho ir fazer uma

medio a cada 1s. O pre-trigger medido em s e representa quanto tempo o aparelho ir gravar dados antes do limiar ter sido cruzado. O valor mnimo 0 e o valor mximo calculado dividindo-se o comprimento do sinal pela taxa de aquisio. O comprimento do

sinal medido em s escolhido a partir de uma faixa de 1k at 15k. Ao utilizar-se uma

taxa de 4MSPS e um comprimento de sinal de 1k, obtm-se 256s de dados.

2.2.5 Parmetros de Medio do Sinal de EA

Os cinco parmetros (ASM 1989) mais utilizados em EA podem ser vistos na Figura 2.15 e so: Contagens, Amplitude, Durao, Tempo de Subida e a rea medida

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abaixo da envoltria do sinal retificado (Energia MARSE). Outros parmetros utilizados so: Energia Verdadeira e Contagens por Pico (PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION 2005), Freqncia Mdia (DRUMMOND 2007) e Momentos Estatsticos dos sinais (LOKAJEK 2008). De todos os parmetros, a Amplitude Mxima a menos dependente do limiar, mas mesmo ela depende desse limite de deteco, j que um limiar muito alto impossibilitaria a medio de qualquer sinal.

Figura 2.15: Parmetros de medio do sinal de EA (adaptado de MIX 2005)

Amplitude (Amplitude): o maior pico de voltagem atingido por um sinal de EA. Esse um parmetro importante pois ele que determina a detectabilidade de um evento, j que o limiar tambm baseado nesse parmetro. Amplitudes de emisso acstica esto relacionadas magnitude da fonte do evento, e elas podem variar de microvolts a volts. As amplitudes de emisso acstica so comumente expressas em decibis, tem resoluo de 1dB e variam numa faixa de 0 a 100dB no sistema PAC Disp 16C.

or)amplificad-pr do Ganho(volt1

Vlog20]dBA[ max

=

Equao 4

onde: A a amplitude em decibis; Vmax a voltagem mxima recebida para aquela onda; Ganho do pr-amplificador o ganho informado ao aparelho.

Contagens (Counts): o nmero de vezes que o sinal de EA cruzou o limiar. Esse parmetro depende da magnitude da fonte do evento mas tambm depende das

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propriedades acsticas e natureza reverberante da amostra e do sensor. Contagens um dos parmetros mais velhos e mais simples de associar a eventos acsticos. O problema que esse parmetro tende a enfatizar fatores acsticos e do instrumento de medio s custas de fatores de fonte, uma vez que so dependentes da ressonncia do elemento transdutor (DRUMMOND 2007). Contagens expressa em nmero de contagens, tem resoluo de 1 contagem e varia numa faixa de 0 a 65.535 contagens no sistema PAC Disp 16C.

Energia MARSE (MARSE ou MARSE Energy): a rea medida abaixo da envoltria do sinal retificado. dito (ASM 1989) que esse parmetro preferido em relao a contagens por ser sensvel a amplitude e durao, e ser menos dependente da escolha de limiar e da frequncia de operao.

Energia, Energia PAC (PAC Energy): supostamente o mesmo parmetro que a energia MARSE (PHYSICAL ACOUSTICS CORPORATION 2005). No entanto, a dificuldade em encontrar a maneira de como a energia PAC medida gerou uma discusso que abrangida no Captulo 7 (Resultados do terceiro grupo de ensaios). A unidade da energia PAC 10volt-segundo/contagens, sendo que o parmetro tem resoluo de 1 contagem e varia numa faixa de 0 a 65.535 contagens no sistema PAC Disp 16C. Em muitas tabelas e no texto a unidade dessa energia ser mencionada como

unidades (un) e no como 10volt-segundo/contagens por uma questo de praticidade.

Durao (Duration): o intervalo de tempo limitado pelo primeiro e ltimo cruzamento do limiar. Esse parmetro medido em microssegundos e depende da magnitude da fonte, acstica estrutural e reverberao da mesma maneira que contagens.

Durao expressa em microssegundos, possui uma resoluo de 1s e varia numa faixa de 0 a 65.535ms no sistema PAC Disp 16C.

Tempo de Subida (Rise Time): o tempo passado desde o primeiro cruzamento do limiar at o tempo onde ocorreu o pico de mxima amplitude. Este parmetro governado por processos de propagao da onda e medido em microssegundos. A sua

resoluo de 1s e ele varia numa faixa de 0 a 65.535ms no sistema PAC Disp 16C.

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ASL (Average Signal Level Nvel de Sinal Mdio): a mdia da amplitude do sinal. O ASL medido em decibis, possuindo uma resoluo de 1dB e variando numa faixa de 0 a 100dB no sistema PAC Disp 16C.

RMS (Root Mean Square Valor Eficaz): para essa aplicao, o valor de voltagem eficaz. O RMS medido em milivolts, possuindo uma resoluo de 0,15mV e variando numa faixa de 0 a 6V no sistema PAC Disp 16C.

Freqncia Mdia (Average Frequency): o resultado da diviso do parmetro Contagens pelo parmetro Durao. Ele medido em kHz, possui uma resoluo de 1kHz e varia numa faixa de 0 a 65.535 kHz no sistema PAC Disp 16C.

2.2.6 Localizao das fontes

Localizao Linear:

A localizao linear a mais simples de todas. Uma vez que se tenha colocado dois sensores (A e B) em posies conhecidas, e sabendo-se a velocidade de propagao da onda no componente, pode-se calcular a posio da fonte de EA pela diferena de tempo de chegada das frentes de ondas (Figura 2.16).

Figura 2.16: Localizao linear atravs da tcnica de EA.

As equaes 58 mostram como calcular a distncia da fonte a partir do sensor A.

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2vtxd = Equao 5

1vtx = Equao 6 )tv(t2xd 12 = Equao 7

t)/2(dx =

Equao 8

onde: d a distncia entre os sensores a e b, x a distncia da fonte ao sensor a, v a velocidade de propagao da onda, t1 e t2 so os tempos que o sinal demora para chegar nos sensores a e b respectivamente.

Localizao Superficial

Quando se deseja localizar o defeito em um plano, necessrio o uso de pelo menos trs sensores. Isso ocorre porque todos os pontos que tm uma diferena constante entre as suas distncias a dois pontos fixos formam uma hiprbole (VALLEN 2007). A Figura 2.17 mostra trs hiprboles que se encontram e definem um ponto, onde as trs diferenas de distncias so equivalentes s diferenas de tempo medidas. Se apenas dois sensores so usados, ento existe apenas uma hiprbole, o que no suficiente para localizar a fonte de EA no plano.

Figura 2.17: Localizao planar atravs da tcnica de EA (VALLEN 2007).

Localizao Zonal

Esse um tipo de localizao mais grosseira que utilizada para o caso de grandes estruturas. Normalmente serve para direcionar outras tcnicas de ensaios no destrutivos diminuindo efetivamente a rea que deve ser inspecionada. So necessrios

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no mnimo trs sensores, como mostrado na Figura 2.18. De acordo com o posicionamento dos sensores, a estrutura dividida em zonas e localiza-se a fonte de emisso de acordo com a ordem em que a onda sonora chega nos sensores. Assim sendo, um evento gerado na regio BAC atingiu primeiramente o sensor B, depois o sensor A e finalmente o sensor C.

Figura 2.18: Localizao zonal atravs da tcnica de EA.

2.2.7 Rudo

Uma das principais dificuldades de um teste de emisso acstica filtrar o rudo dos sinais efetivos relacionados ao material. Isso acontece porque existem diversas fontes que podem gerar ondas sonoras, desde fontes mecnicas at fontes eltricas. A escolha de uma faixa de frequncia apropriada para o teste de suma importncia. Historicamente se tem trabalhado principalmente na faixa que vai de 100 a 300kHz, j que ela se mostrou adequada para 90% dos testes de EA (ASM 1989). Variaes nessa faixa, no entanto, so comuns. Para analisar fundos de tanques, corroso ou vazamentos, s vezes se utilizam sensores que trabalham em 25kHz.

O rudo de fundo normalmente um rudo de baixa frequncia e corresponde a fontes mecnicas, como fluxo de fluidos em bombas e vlvulas, processos de frico como o movimento de estruturas nos seus suportes (no caso desse trabalho, arames das

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armaduras do riser), e processos de impacto como chuva e cabos movimentados pelo vento que atinjam a estrutura.

O rudo eltrico e eletromagntico produzido por falta de aterramento, por transmissores de rdio e navegao e tempestades eltricas (ASM 1989). Outras fontes podem incluir um ocasional soldador trabalhando perto da estrutura e variaes de campos magnticos fortes. A movimentao dos domnios magnticos devido variaes do campo magntico induz um rudo acstico na estrutura que j foi utilizado como instrumento de anlise (RUIZ 2005, SANCHEZ 2004). No o caso do presente trabalho.

Como a emisso acstica dificilmente empregada sozinha, necessrio um cuidado j que a maioria das outras tcnicas ir introduzir algum tipo de rudo. Esse rudo pode aparecer na forma de ondas de ultra-som (inspeo por ultra-som e Time of Flight Diffraction - TOFD), rudo mecnico devido ao arraste de sensores na estrutura, rudo eletromagntico (inspeo por mtodos magnticos) e at curto circuito de outros aparelhos. Um exemplo desse ltimo caso o seguinte: durante a pressurizao de um vaso de presso monitorado com EA e acelermetros no LAMEF (Laboratrio de Metalurgia Fsica), um pouco de gua vazou e entrou em contato com a juno de um dos cabos do acelermetro, causando curto-circuito e rudo.

Problemas com rudo podem ser vencidos de diferentes maneiras. Para os casos em que o rudo tenha uma faixa de frequncia caracterstica, pode-se fazer o uso de filtros do tipo passa alta ou passa faixa. No entanto, existem rudos que se distribuem sobre uma larga faixa de frequncia, o que acaba dificultando esse tipo de soluo. O Rudo branco um rudo no qual no existe correlao entre dois pontos pertencentes ao sinal (PAPOULIS 1991), e que (assim como luz branca) tipicamente apresenta componentes em todo o espectro de frequncia. Rudo Browniano, ou rudo marrom (assim chamado pelo seu espectro avermelhado assim como sua ligao aos movimentos Brownianos) uma mistura com influncias principais de componentes de baixa frequncia (HALLEY 1999). Ambos rudos pertencem a famlia de rudos 1/f (ou rudo 1/f), cujo espectro de potncia para cada freqncia proporcional a 1/f , sendo o expoente zero em rudo

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branco e 2 no marrom. Entre esses dois extremos existe uma grande faixa de

possibilidades de cores de rudo, incluindo o rudo rosa ( =1).

Em certos casos ser possvel eliminar o rudo na prpria fonte. Isso inclui proteger a estrutura da chuva e vento usando-se aparadores, colocando-se amortecedores para o caso de estruturas que vibram, retirando-se peas soltas que estejam batendo na estrutura e impedindo a utilizao de empilhadeiras e mquinas de solda perto do local de anlise. Para os casos em que no se pode eliminar a fonte, pode-se utilizar um sensor guarda, que basicamente um sensor colocado muito prximo da fonte do rudo (RUZZANTE 1998) de modo que se possa avaliar e retirar dos dados coletados os sinais relacionados ao rudo.

O rudo eltrico pode ser vencido atravs do uso de aterramento, isolamento de cabos, e utilizao de sensores diferenciais ou sensores com pr-amplificadores integrados.

Finalmente, pode-se utilizar o prprio equipamento de EA para tentar filtrar alguns dos rudos. Alguns dos mtodos so citados abaixo:

Medio de diferena mxima e mnima de tempos, de modo que a distribuio de sensores delimitem a rea de interesse, determinando-se o tempo mximo ou mnimo que um sensor demoraria para detectar um evento.

Determinao de uma sequncia de chegada, de modo que se o sensor nmero 1 est mais prximo da fonte, no existe sentido em o sensor nmero 2 acusar a chegada de um evento antes do sensor nmero 1.

Medio do rudo com o aparelho de EA e utilizao de filtros digitais que s aceitem sinais cujos parmetros estejam dentro de uma faixa, por exemplo, apenas sinais com durao menor do que 2ms ou que possua um tempo de subida maior

do que 10s.

A utilizao de um limiar mais alto uma outra possibilidade, mas deve-se fazer uma avaliao de quantos dados no sero adquiridos e se o aumento do limiar no causa excessiva perda de informao.

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2.2.8 Efeito Kaiser, Corolrio Dunegan e Razo Felicity

De acordo com PAPARGYRIS (2001), dois efeitos tm sido observados em cermicos e compsitos quando eles so tensionados. O efeito Kaiser o fenmeno observado quando um material carregado at um nvel de tenso e descarregado, e nenhuma emisso acstica observada no carregamento subsequente at a tenso prvia ter sido excedida.

A razo entre a tenso mxima do primeiro carregamento e a tenso mais baixa de recarregamento na qual se observa emisso acstica se chama Felicity REA e pode ser usada como um ndice do dano do material compsito. Essa razo definida por:

maxLL

R EAiniEA = Equao 9

onde: LEAini a carga na qual a atividade acstica recomea durante o recarregamento; Lmax a mxima carga aplicada durante o primeiro carregamento.

Quanto maior a taxa, maior o dano (REA 1). Evidentemente, quando REA = 1, nenhum dano a mais ocorre durante o recarregamento e o material apresenta o efeito Kaiser. Taxas Felicity so usadas na aceitao de testes de EA para qualificar o dano.

De acordo com DRUMMOND (1997), o efeito Kaiser pode ser visto como uma desvantagem, uma vez que cada evento acstico pode ser s medido uma vez. Assim, Harris e Dunegan propuseram uma estratgia para o uso de emisso acstica para testes de prova peridicos. O Corolrio Dunegan diz que a emisso acstica experimentada durante testes de prova revela dano ocorrido durante o perodo operacional precedente (DRUMMOND 1997). Caso uma estrutura no sofra dano durante um perodo particular, ento nenhuma emisso ser observada no teste de prova subsequente.

2.2.9 Emisso Acstica em cabos e tubos de multicamadas

Mais e mais poos de petrleo esto sendo perfurados em guas profundas (HANZAWA 1982). Essas estruturas so ancoradas atravs do uso de cabos e podem

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receber energia atravs de cabos de multicamadas. Existe uma grande preocupao em estudar o comportamento em fadiga desses cabos e desenvolver meios de detectar a ruptura dos mesmos. Apesar de existirem diferenas entre cabos multicamadas e tubos de multicamadas, estruturalmente ambos possuem elementos semelhantes e as tcnicas de inspeo utilizadas em um so as mesmas utilizadas no outro. HANZAWA (1982) afirma ser possvel fazer a deteco de rupturas de cabos atravs do uso de acelermetros e emisso acstica. Para CASEY (1987), a emisso acstica, com a exceo da inspeo magntica e da visual, representa possivelmente a nica forma alternativa de inspeo de cabos de ao. Finalmente GAILLET (2004) menciona que a deteco do dano (rupturas de arames, corroso) complicada pela proteo especfica do arame (duto, etc...) ou pela configurao dentro da estrutura (cabos embebidos em concreto ou abraadeiras massivas, elementos de cabos sendo segurados por presilhas, etc...). Ele sugere que dentro das possveis opes para serem exploradas, a EA parece ter um potencial muito grande.

Em 1982 HANZAWA apresentou os resultados de um trabalho onde foram testados cabos com dimetros nominais de 50mm atravs de EA e uso de acelermetro, sendo ambos presos nas terminaes. O ponto de quebra foi localizado atravs da determinao da diferena de tempo de subida da forma de onda recebida pelos sensores. Segundo o autor, quando o som de uma ruptura viaja uma grande distncia ou por uma rota complexa antes de chegar no sensor, a forma de onda frequentemente deforma devido a reflexes e atenuao. Eles tambm descobriram que o ponto de ruptura podia ser determinado pelo logaritmo da razo entre as taxas de contagens dos sensores de EA colocados na extremidade de cima e na de baixo.

O nmero de rupturas na seo testada algumas vezes foi maior do que o nmero de arames porque um arame sofreu mais de uma ruptura. Isso ocorre porque um arame que rompe em um ponto ainda pode suportar a carga aplicada em um outro no muito distante e que pode quebrar mais tarde. A maior parte das rupturas da seo de teste foi causada pelo desgaste de arames mantidos em contato entre si e repetidamente sujeitos a carga. Todos os rompimentos na terminao (socket) foram causados pela tenso de dobramento aplicada onde os arames foram dobrados perto da abertura da terminao.

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HANZAWA (1982) obteve uma taxa baixa de deteco ao usar apenas um sensor de EA e um acelermetro. A deteco melhorou quando foram usados dois sensores e

dois acelermetros. Um dado curioso que eles descobriram que quando min e R eram

pequenos e quando o teste seguiu at a ruptura do segundo e terceiro arames, a taxa de deteco tendeu a diminuir devido baixa energia das quebras. Devido necessidade de se eliminar rudos, nem sempre a taxa de deteco de 100%. O autor conclui que os arames rompem devido fadiga que se desenvolve a partir da abraso entre eles. A quebra de arames induzida por fadiga ocorre nos arames externos quando R baixo e nos arames internos quando R alto.

Trs anos mais tarde, LAURA (1985) apresentou uma reviso de alguns trabalhos feitos sobre EA em cabos. Ele diz que ondas sonoras audveis so emitidas a 95% da carga mxima, o que seria tempo suficiente para parar o teste e que os arames individuais rompem com amplitude de 15 a 20db acima do rudo de fundo. LAURA (1985) cita que Harris e Dunegan encontraram uma correlao de 1:1 entre arames rompidos e sinais detectados.

No mesmo ano, CASEY (1985) publicou um trabalho onde foi analisado um cabo com 12mm de dimetro feito com fios individuais galvanizados de dimetro diferente (de 1,25 a 1,60mm). Foi feita uma terminao metlica no cabo e o espao vazio foi preenchido com metal branco. Primeiramente foi feita EA nos fios individuais que haviam sido entalhados, prendendo o sensor banda larga pert