tratamento e avaliação por ultrasom de um tubo ... - Artigo Científico

TRATAMENTO E AVALIAÇÃO POR ULTRASOM DE UM TUBO
API 5L X70 UTILIZADO PARA TRANSPORTE DE GÁS NATURAL
RESUMO
Daniel Salgado Martorelli 1
O conhecimento das tensões residuais oriundas dos vários processos de fabricação, a que os tubos de
transporte de óleo e gás estão submetidos, é de suma importância para o fornecimento de dados, no intuito de
alimentar as várias pesquisas hoje existentes, na área de avaliação das tensões provocadas pela
movimentação do solo, que posteriormente vierem a se somar com as tensões residuais. A dificuldade em
medir as tensões advindas dos vários processos é conhecidamente complexa, uma vez que para isto, seria
necessária a paralisação de uma fábrica inteira. Este artigo foi desenvolvido com o objetivo de analisar o
comportamento das tensões em um tubo, ao longo de sua circunferência e de seu comprimento, após a
realização de um tratamento térmico, que tem por objetivo aliviar as tensões residuais oriundas do processo
de fabricação a que o tubo em questão foi submetido. Com este estudo, pretende-se trazer as etapas de
avaliação de tensões que teriam de ser feitas em uma fábrica, para dentro de um laboratório. Foram
capturados sinais ultrasônicos para a avaliação das tensões residuais existentes em um tubo novo, antes e
após a execução do tratamento térmico, por intermédio de um sistema informatizado, com o intuito de se
avaliar as possíveis mudanças nas características do tubo. A partir dos resultados obtidos nos experimentos
realizados, foram feitas avaliações a respeito do comportamento deste tubo após o tratamento.
Palavras chaves: Ultrasom, Tensões Residuais de fabricação, Tubos, Tratamento Térmico, Alívio de
Tensões.
1
Físico,
Fundação Técnico Educacional Souza Marques – Rj
Técnico Em Mecanica,
Instituto De Engenharia Nuclear
Comissão Nacional De Energia Nuclear
Email: daniel@ien.gov.br

1 INTRODUÇÃO
Na área de Engenharia, os materiais que são empregados na indústria em geral, podem muitas vezes
alcançar condições de solicitação críticas. Estas condições estão ligadas às tensões internas destes materiais
adquiridas durante seu processo de fabricação, e podem levar à falha catastrófica dos componentes estruturais
ocasionando perdas financeiras e de vidas, além de causarem sérios danos ao meio ambiente, como o
acontecido com a plataforma de petróleo da British Petroleum.
O transporte de gás natural e de petróleo via malha dutoviaria, a cada dia que passa é mais utilizado,
pois além de sua versatilidade operacional ele permite reduzir os custos, o que onera os preços finais. Além
disto, diminui o tráfego de caminhões e trens, utilizados para este transporte, aumentando a segurança e
consequentemente, oferecendo maior proteção ao meio ambiente e em consequência disto, à população. No
entanto, tubos instalados em terrenos instáveis, cujas movimentações lentas do solo não são percebidas
visualmente, podendo estar sujeitos à ocorrência de danos e, no caso extremo, ao rompimento destes tubos, o
que causaria desastres incomensuráveis.
A ação do solo sobre o tubo é muito complexa. Desta forma, para garantir a integridade da malha
dutoviaria, a monitoração das tensões geradas pelo movimento do solo sobre o tubo é de suma importância.
Embora existam diversas técnicas de medição de tensões instaladas em componentes estruturais ou
equipamentos, tais como a técnica do furo, a neutrongrafia e a difração de raios-x, suas limitações tem
despertado o interesse crescente da comunidade científica, no desenvolvimento de outros métodos mais
eficazes, e que forneçam informações técnicas capazes de impedir que aconteçam acidentes.
O ultra-som é um desses métodos. Ele pode ser empregado para a análise de tensões e o fenômeno
mais utilizado nessa aplicação é o da variação na velocidade da onda ultra-sônica que ocorre quando esta se
propaga através de um material que se encontra submetido à tensão. A este fenômeno dá-se o nome de
anisotropia acústica.
Os processos de fabricação normalmente geram tensões internas nos materiais, o que muitas vezes
torna necessária a realização de tratamento térmico de alívio de tensões (TTAT) em estruturas e
componentes. Esses TTAT, feitos sob critérios rígidos e com severo controle, porém, nem sempre têm seus
resultados avaliados, seja por motivos técnicos ou financeiros (LAMY et al., 2002; BITTENCOURT et al.,
2000).
Em vista disto, o objetivo deste artigo será o de usar a técnica de análise de tensões por ultra-som, na
verificação dos efeitos de um tratamento térmico visando o alívio das tensões provenientes do processo de
fabricação, a ser feito em um tubo utilizado pela Petrobrás para transporte de gás, fabricado pela Apolo
Tubulars, processo ERW. Desta forma, se o objetivo for alcançado, as tensões que posteriormente vierem a
ser produzidas devido ao lançamento do tubo ou provenientes do movimento do solo, poderão ser
conhecidas, para que providências venham a ser tomadas no intuito de reduzir as chances de acidentes que
acarretariam em sérios danos ao meio ambiente.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste trabalho a configuração experimental dos transdutores é a do pulso-eco, para obtenção de
variações de tempo ao longo da espessura, um único transdutor é usado como emissor/receptor e o sinal
adquirido corresponde a uma sucessão de ecos provenientes da face oposta a que o transdutor está acoplado.
O tempo de percurso da onda é o tempo medido entre dois ecos consecutivos.
Inicialmente foi montado um sistema composto de um aparelho de ultra-som convencional marca
Panametrics, modelo EPOCH 4, que funciona como um gerador de pulsos. Os pulsos gerados passam por um
filtro de amplitude que divide o sinal emitindo-o em parte a uma voltagem menor, aproximadamente 8V, para
um osciloscópio digital analógico Tektronics, modelo TDS3032B e em parte a uma voltagem mais elevada,
entre 250 a 300 volts, para excitar o único transdutor (emissor/receptor) que é fixado ao corpo-de-prova. O
sinal ultra-sônico é transmitido ao material e seu eco retorna ao osciloscópio. Assim são observados no
osciloscópio os sinais do pulso de excitação do cristal piezoeléctrico e de seu eco.
2

Figura 1. Sistema ultra-sônico montado para medida de tensão
Como as variações de tempo ocorridas no percurso da onda ultra-sônica, por decorrência de tensões,
são extremamente baixas, em geral na ordem de nanosegundo, é necessário trabalhar com a base de tempo do
osciloscópio numa magnitude que permita a leitura de tempo dentro desta resolução.
Ao sistema eletrônico montado também foi conectado um microcomputador HP para receber o sinal
ultra-sônico do osciloscópio e permitir seu processamento. Desta forma as medidas de tempo podem ser
tomadas com uma precisão muito grande ao contrário do que ocorre quando são feitas visualmente
diretamente da tela do osciloscópio.
Com o sistema montado com esta configuração, figuras 1 e 2, se consegue a visualização no
computador de qualquer eco ou tantos quantos sejam desejados. A partir desta configuração é possível medir
a velocidade da onda ultra-sônica, que necessita o conhecimento do tempo entre dois ecos. O transdutor
usado foi de ondas transversais com incidência normal com frequência de 2,25Mhz.
Figura 2. Diagrama do sistema ultra-sônico montado para medida de tensão
A técnica aqui aplicada (BITTENCOURT et al, 2000).prevê a utilização de ondas cisalhantes de
incidência normal e a anisotropia acústica (birrefringência) é calculada em função de diferentes medidas de
tempo obtido em um mesmo ponto, após o percurso da onda cisalhante que foi propagada em duas direções
de polarização ortogonais, conforme visto na figura 3.
Figura 3 - Posicionamento dos Transdutores: a) Transversal e b) Longitudinal ao sentido da laminação
Para tal, foi empregado para a aquisição dos sinais de tempo decorrido um transdutor de freqüência
igual a 2,25 MHz e diâmetro de 12,7 mm.
Para se avaliar o estado de tensões existentes no tubo como recebido, foram traçados 05 (cinco)
regiões ao longo do perímetro do tubo, conforme indicado no desenho esquemático visto na Figura 4.
3

Figura 4 - Identificação e posicionamento das regiões de medida no tubo em relação ao cordão de solda.
As regiões de medida foram separadas com comprimento de 500 mm e largura de 45 mm. Em cada
região foram feitas 05 (cinco) marcações para indicar os locais de acoplamento do transdutor para a aquisição
da medida do tempo de percurso da onda ultra-sônica, em duas direções ortogonais. A Figura 5 mostra estas
marcações e os espaçamentos entre elas.
Figura 5 - Dimensões das regiões, locais de acoplamento do transdutor e espaçamento entre eles.
O sinal obtido na configuração pulso eco, é aquisitado por computador, através do programa
Wavestar da Tektronik que acoplado a um osciloscópio, captura a onda ultrasônica, sendo a mesma
posteriormente processada pelo programa chronos, que se utiliza da equação da Birrefringência, para retornar
o resultado, chamado de “B”.
Figura 6. Software de aquisição de dados Wavestar e Osciloscópio TDS3032B da Tektronik
Foram então feitas as medidas em cada ponto marcado, sendo que 5 medidas na direção longitudinal
e 5 medidas na direção transversal, alternadamente. Totalizando 10 medidas em cada ponto, 50 medidas em
cada tira e 250 medidas nas 5 tiras marcadas em torno do tubo, antes do tratamento térmico.
Figura 7. Posicionamentos do Transdutor no tubo
O Tratamento Térmico foi realizado em um forno marca Combustol, elevando-se gradualmente a
temperatura, na taxa de 150 o C/Hora, chegando-se a temperatura de 690 o C em aproximadamente 4 horas,
tendo sido deixado nesta temperatura por mais 2 horas (CHIAVERINI, 1986).
4

Figura 8. Forno Combustol
O tubo foi deixado dentro do forno depois do mesmo ter sido desligado para o resfriamento, que
deve ser lento e gradual até a temperatura ambiente. Após o resfriamento, retirou-se então o tubo para que
fossem efetuadas as medidas pós tratamento térmico.
Figura 9. Retirada do tubo
O tubo foi submetido a uma nova varredura, utilizando o ultrasom, para a medida do tempo de
percurso da onda nos mesmos pontos. Foram aquisitadas em cada ponto, alternadamente, cinco ondas com
direção de polarização longitudinal ao comprimento do tubo e cinco ondas com direção de polarização
transversal ao comprimento do tubo.
3 RESULTADOS
A diferença do tempo de percurso da onda ultra-sônica entre as duas direções ortogonais, nas regiões
do tubo, é mostrada na tabela 1.
Cp
Todas as regiões
Ponto Tempos
t longitudinal (µs) t transversal (µs)
Birrefringência
(B0)
Birrefringência
(B0)médio
1 6.4518E-06 6.6020E-06 -2.3012E-02
2 6.4482E-06 6.5974E-06 -2.2874E-02
1 3 6.4464E-06 6.5940E-06 -2.2637E-02 -2.2171E-02
4 6.4560E-06 6.5984E-06 -2.1816E-02
5 6.4652E-06 6.5992E-06 -2.0514E-02
1 6.3766E-06 6.5180E-06 -2.1932E-02
2 6.3834E-06 6.5240E-06 -2.1786E-02
2 3 6.3890E-06 6.5220E-06 -2.0603E-02 -2.0577E-02
4 6.3850E-06 6.5176E-06 -2.0554E-02
5 6.3938E-06 6.5100E-06 -1.8010E-02
1 6.3498E-06 6.4752E-06 -1.9556E-02
2 6.3452E-06 6.4788E-06 -2.0836E-02
3 3 6.3528E-06 6.4848E-06 -2.0565E-02 -1.9779E-02
4 6.3528E-06 6.4778E-06 -1.9485E-02
5 6.3560E-06 6.4744E-06 -1.8456E-02
1 6.3540E-06 6.4880E-06 -2.0869E-02
2 6.3478E-06 6.4902E-06 -2.2184E-02
4 3 6.3544E-06 6.4874E-06 -2.0714E-02 -2.0567E-02
4 6.3556E-06 6.4808E-06 -1.9507E-02
5 6.3580E-06 6.4836E-06 -1.9561E-02
1 6.3948E-06 6.5624E-06 -2.5870E-02
2 6.3864E-06 6.5572E-06 -2.6391E-02
5 3 6.3896E-06 6.5516E-06 -2.5036E-02 -2.4992E-02
4 6.3880E-06 6.5468E-06 -2.4554E-02
5 6.3910E-06 6.5404E-06 -2.3107E-02
Tabela 1 – Medidas dos tempos no tubo sem TTAT
No gráfico 1, abaixo, pode-se observar a alteração na diferença do tempo de percurso da onda nos
pontos de aquisição descritos anteriormente. Essa diferença no tempo entre os pontos está associada à
anisotropia acústica do material originada principalmente pela textura e/ou tensões residuais devido ao
5

processo de fabricação. Vemos também que a variação do ∆T ao longo das regiões do tubo, indica uma
distribuição heterogênea de tensão no material, resultado da complexidade da distribuição de tensões.
BIRREFRINGÊNCIA MÉDIA
-1.8000E-02
0 1 2 3 4 5 6
-1.9000E-02
-2.0000E-02
-2.1000E-02
-2.2000E-02
-2.3000E-02
-2.4000E-02
-2.5000E-02
-2.6000E-02
Gráfico 1 – Curva da Birrefringência média do tubo sem TTAT
O mesmo procedimento de aquisição de sinais foi realizado para obtenção dos resultados depois da
realização do tratamento térmico, com os resultados descritos abaixo.
Na tabela 2, pode-se observar a alteração na diferença do tempo de percurso da onda nos mesmos
pontos de aquisição anterior devido ao alívio das tensões geradas pelo processo de fabricação do tubo.
Tabela 2 – Medidas dos tempos no tubo com TTAT
O gráfico 2 mostra o efeito no tempo de percurso da onda, após o TTAT. Verifica-se que o estado de
tensões, tem aspecto um pouco diferente daquele mostrado no gráfico 1, o que evidencia a complexidade do
estado de tensões gerado pelo processo de fabricação.
BIRREFRINGÊNCIA MÉDIA
REGIÃO (CP)
Cp
Todas as regiões
Ponto Tempos
t longitudinal (µs) t transversal (µs)
Birrefringência
(B0)
Birrefringência
(B0)médio
1 6.4492E-06 6.5898E-06 -2.1566E-02
2 6.4510E-06 6.5936E-06 -2.1863E-02
1 3 6.4540E-06 6.5912E-06 -2.1035E-02 -2.0950E-02
4 6.4626E-06 6.5982E-06 -2.0764E-02
5 6.4720E-06 6.5996E-06 -1.9523E-02
1 6.3700E-06 6.5054E-06 -2.1032E-02
2 6.3790E-06 6.5084E-06 -2.0082E-02
2 3 6.3806E-06 6.5054E-06 -1.9370E-02 -1.9407E-02
4 6.3846E-06 6.5072E-06 -1.9020E-02
5 6.3896E-06 6.5026E-06 -1.7530E-02
1 6.3348E-06 6.4602E-06 -1.9601E-02
2 6.3338E-06 6.4610E-06 -1.9883E-02
3 3 6.3360E-06 6.4640E-06 -2.0000E-02 -1.9142E-02
4 6.3436E-06 6.4628E-06 -1.8616E-02
5 6.3488E-06 6.4616E-06 -1.7611E-02
1 6.3460E-06 6.4754E-06 -2.0185E-02
2 6.3450E-06 6.4730E-06 -1.9972E-02
4 3 6.3506E-06 6.4708E-06 -1.8750E-02 -1.9009E-02
4 6.3510E-06 6.4656E-06 -1.7883E-02
5 6.3508E-06 6.4678E-06 -1.8255E-02
1 6.3724E-06 6.5340E-06 -2.5042E-02
2 6.3734E-06 6.5336E-06 -2.4824E-02
5 3 6.3676E-06 6.5176E-06 -2.3283E-02 -2.3847E-02
4 6.3816E-06 6.5378E-06 -2.4181E-02
5 6.3754E-06 6.5166E-06 -2.1905E-02
-1.8000E-02
0 1 2 3 4 5 6
-1.9000E-02
-2.0000E-02
-2.1000E-02
-2.2000E-02
-2.3000E-02
-2.4000E-02
-2.5000E-02
-2.6000E-02
REGIÃO
Gráfico 2 – Curva da Birrefringência média do tubo com TTAT
6

O gráfico 3 mostra a diferença no tempo de percurso da onda nas duas etapas de aquisição da onda.
A curva vermelha se referem ao tubo antes do Tratamento Térmico e a curva azul representa os resultados
obtidos após o TTAT.
4 CONCLUSÕES
BIRREFRINGÊNCIA MÉDIA
-1.8000E-02
0 1 2 3 4 5 6
-1.9000E-02
-2.0000E-02
-2.1000E-02
-2.2000E-02
-2.3000E-02
-2.4000E-02
-2.5000E-02
-2.6000E-02
REGIÃO
Gráfico 3 – Interposição das curvas
Neste artigo foram analisadas a magnitude, natureza e comportamento das tensões residuais
provenientes do processo de fabricação de um tubo utilizado no transporte de gás natural. O estudo visou
encontrar meios de quantificar as tensões residuais causadas por esforços de trabalho. Foi realizada uma
pesquisa bibliográfica sobre tensões residuais incluindo: suas possíveis origens, seus efeitos sobre as
estruturas, dando ênfase para a técnica de medida por ultrasom.
Paralelas às pesquisas bibliográficas foram realizadas várias medições laboratoriais em espécimes de
um tubo API 5L X70, para determinação das tensões residuais de fabricação. Nas medições foram usadas a
técnica da birefringência. Os resultados encontrados foram analisados com base nos efeitos causados pelas
etapas do processo ERW de fabricação na geração de tensões residuais. Nessas análises também foram
consideradas as informações obtidas nas pesquisas bibliográficas.
A partir das curvas de tensões residuais obtidas nas medições no laboratório foram feitas
comparações com as medidas realizadas por Priscila Goreti Magina em sua Dissertação de Mestrado, nas
mesmas regiões, em uma parte da chapa (início chapa 6628) que deu origem ao tubo, objeto de estudo deste
presente artigo. Na curva obtida por Magina (2009), demonstrada no gráfico 4, observa-se que existe uma
clara semelhança (Gráfico 5) entre os dados obtidos na chapa, e no tubo após o tratamento realizado para este
artigo, notando-se que houve realmente um alívio das tensões provenientes do processo de fabricação ERW
ao qual o tubo foi submetido, desde a sua forma de chapa, originada a partir do desbobinamento do aço em
questão, até a sua forma final de tubo, demonstrando-se assim, a efetividade do tratamento térmico realizado
e sua importância para o efetivo estudo das tensões existentes em tubos, pois se poderia eliminar uma fase
muito complexa de obtenção de dados, que é a realização de medições em fábricas, trazendo-as para o
laboratório.
Gráfico 4 – Resultados obtidos por Magina (2009)
Com Tratamento
Térmico
Sem Tratamento
Térmico
7

BIRREFRINGÊNCIA MÉDIA
Gráfico 5 – Mudança de escala para efeito de comparação
As tensões geradas pelo bobinamento e desbobinamento deste aço, não foram levadas em questão, pois
para um estudo das tensões provocadas por tais processos, teria de se obter uma seção do aço, antes dos
processos acima citados, para efetuarem-se as devidas comparações.
5 BIBLIOGRAFIA
0.00E+00
0 1 2 3 4 5
-5.00E-03
-1.00E-02
-1.50E-02
-2.00E-02
-2.50E-02
-3.00E-02
Bittencourt, M. S. Q., Desenvolvimento de um Sistema de Medida de Tempo Decorrido da Onda Ultrasônica
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Chiaverini, Vicente, 1914- Tecnologia mecânica / Vicente Chiaverini. -v. 1-3, 2. ed. - São Paulo: McGraw-
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2002.
Magina, Priscila Goreti, Análise de tensões com ultra-som em tubos soldados – Rio de Janeiro:
UFRJ/COPPE,2009.
REGIÃO
8