PT109373B - Sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas para geometrias tubulares - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO CONSISTE NUMA SONDA DE CORRENTES INDUZIDAS, PARA USO EM ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS DE GEOMETRIAS TUBULARES DE MATERIAIS CONDUTORES DE ELETRICIDADE, QUE TEM COMO OBJETIVO AUMENTAR A CAPACIDADE DE DETEÇÃO DE DEFEITOS DE REDUZIDA DIMENSÃO COM QUALQUER ORIENTAÇÃO, NOMEADAMENTE, AXIAL, TANGENCIAL OU OBLÍQUA. A SONDA CARACTERIZA-SE POR UM ENROLAMENTO DE EXCITAÇÃO (1) EM TORNO DE UM CHASSIS CILÍNDRICO (3) PARA A EXCITAÇÃO E UMA MATRIZ DE BOBINAS SENSÍVEIS ESPIRAIS TRAPEZOIDAIS PLANAS (2) EM SUBSTRATO FLEXÍVEL CONCÊNTRICAS COM A SUPERFÍCIE CIRCULAR A INSPECIONAR. A GEOMETRIA DOS ENROLAMENTOS DAS BOBINAS DE EXCITAÇÃO PERMITE INTRODUZIR CORRENTES INDUZIDAS DE FORMA A FACILITAR A DETEÇÃO DE DEFEITOS. A MAIOR PROXIMIDADE DOS ELEMENTOS SENSÍVEIS A SUPERFÍCIE DE INSPEÇÃO AUMENTA A SENSIBILIDADE DA SONDA. ATRAVÉS DESTA SONDA É POSSÍVEL CONHECER A POSIÇÃO AXIAL E TANGENCIAL DO DEFEITO NO INTERIOR DE UM TUBO. A SOLUÇÃO CONSTRUTIVA PERMITE A PRODUÇÃO E CUSTOMIZAÇÃO DO CHASSIS POR PRODUÇÃO ADITIVA.

Description

DESCRIÇÃO

SONDA DE ENSAIOS ΝΆΟ DESTRUTIVOS DOR CORRENTES INDUZIDAS PARA GEOMETRIAS TUBULARES

Domínio Técnico da Invenção

A presente invenção eoneíste numa senda de correntes induridas a aplacar em ensaios não destrutivos de materiais condutores de eletricidade caracteri-iaça por ccsíçreenaer m enreiaísento o.e

objetivo aumentar a capacidade de deteção de defeitos de redunida dimensão coo qualquer orientação, nomeadamente, axial, tanqenoial ou obliqua.

Antecedentes da invenção

ou seja, perpendiculares às bobinas; mas torna a deteção de defeitos tangencias, isto é, paralelos às bobinas, mais difícil, já que as correntes induzidas são menos perturbadas pela presença destes defeitos.

Estas sondas podem ser usadas em modo absoluto ou diferencial. No modo absoluto a medição é feita com recurso a apenas uma bobina de receção e é usada para detetar defeitos que variam graduaImente, como a redução- de espessura do tubo devido à corrosão. No modo de funcionamento diferencial é comparada a diferença da impedância de 10 duas bobinas de receção cora enrolamentos em sentidos opostos.

Reciprocamente, o modo diferencial é sensível a defeitos mais pontuais, como fendas ou corrosão localizada e é ainda sensível aos efeitos anómalos, como a oscilação da sonda ou variações graduais da parede do tubo.

i5

As correntes induzidas produzidas pelas sondas convencionais são tipicamente orientadas segundo a direção tangencial do tubo. O sinal de indicação de defeito (variação da impedância elétrica das bobinas) é gerado quando a existência de um defeito perturba o 20 fluxo das correntes induzidas, assim, defeitos transversais à direção da corrente induzida produzem sinais significativos (melhor relação sinal-ruído) , enquanto defeitos paralelos· às correntes induzidas produzem sinais muito limitados ou nãoproduzem sinal algum. Assim, as sondas convencionais são ideais na 25 deteção de defeitos axiais, mas bastante limitadas no que respeita a def ext os tangenci ais.

De maneira a evitar as limitações das sondas convencionais vários autores testaram diferentes abordagens, como a inclinação dos 30 enrolamentos de excitação, possibilitando diferentes orientações entre as bobinas de excitação e as bobinas sensíveis. Com esta abordagem as correntes induzidas deixam de ser paralelas à direção circunferência!. Estas sondas demonstraram uma sensibilidade superior comparativamente às convencionais, mas, existem posições 35 circunferenciais em que os defeitos se mantêm paralelos aos defeitos, podendo não ser detetados se não existir rotação da sonda.

Existe também um. conceito de sonda denominado correntes induzidas com campo girado, que consiste numa sonda que gera um campo magnético que é rodado eletricamente no interior dos tubos, .evitando assim a necessidade de rotação mecânica da sonda. O objetivo é a deteção de defeitos, na superfície interior de tubo, qualquer que seja a sua orientação. As bobinas de excitação são constituídas por três enrolamentos idênticos separados entre si de 120° com o mesmo eixo de rotação e são alimentados por corrente sinusoidal trifásica com amplitude, fase e frequência ajustável. Os três componentes formam um campo de indução magnética total definido por um vetor cora amplitude constante, que roda com a mesma frequência que a fonte de excitação. O campo magnético rotativo tem principalmente uma direção radial que irá induzir corrente na parede do tubo que irá correr numa direção circular em torno desse eixo, tornando a sonda sensível a defeitos com qualquer orientação. A sonda é sensível a defeitos, com. comprimentos a partir dos 8 mm de comprimento, em todas as orientações na parede do tubo. O sinal da sonda é diretamente proporcional â profundidade dos defeitos e a fase da corrente induzida na bobina está relacionada com a localização circunferencial dos defeitos na parede do tubo permitindo que a profundidade e a localização possam ambas ser estimadas a partir de uma única linha de leitura de dados.

Sondas compostas por bobinas espirais planas em. substrato flexível têm demonstrado uma maior sensibilidade na deteção de defeitos milimétricos especialmente em modo de reflexão. As bobinas espirais planares em substrato flexível resultam num sensor muito fino e flexível que permite uma maior proximidade à superfície, reduzindo o espaço entre a sonda e o componente a inspecionar (lift-off) e aumentando a sensibilidade. Técnicas de microfabricação permitem a produção de sensores de baixo custo fiáveis e excelente recetibilidade.

Descrição geral da invenção

sendo que Δ1 representa a largura. das bobinas sensíveis, a deve ser tal que, ura defeito que passe na direção axial encontre sempre uma secção do enrolamento de excitação enquanto sob o elemento sensível. De acordo com este critério, o ângulo 1 deve ser maior ou igual que tan~l (Δ1/ΔΘ«η·.) . Desta forma garante-se que existem correntes índuridas junto ao defeito quando este passa sob o elemento sensível, o que não aconteceria se o ângulo fosse nulo, ou seja, com o enrolamento alinhado axialmente (Figura 3).

Este conjunto de enrolamentos de excitação e elementos sensíveis possibilita a deteção de defeitos alinhados axialmeute e tangenciaImente e em qualquer posição cl reunierencial no perímetro de pm. tubo. A leitura do sinal dos elementos sensíveis pode ser efetuada em modo absoluto em cada bobina, ou em modo diferencial, entre duas ou mais bobinas.

Matriz de bobinas sensíveis ~ componente 2:

Os elementos sensíveis da sonda são caracteritados por uma matria de bobinas espirais trapesoidais planas, producidas por tecnologia de circuito impresso num substrato flexível representados na Figura 5. Este componente foi escolhido porque maximiza a proximidade do elemento sensível à superfície a inspecionar, o que aumenta a sensibilidade da sonda aos defeitos; garante um espaçamento entre a sonda e o material (lift-off constante, uma ver que sendo flexível adquire a curvatura do componente a inspecionar e a sua produção é simples. Devido ao baixo custo de produção permite que o componente 2 possa ser modular e descartável.

A matriz de bobinas sensíveis s enrolada sobre o chassis, caso seja uma sonda para inspeção de superfícies interiores (Figura 1 e 2) , ou na superfície interior do chassis, caso seja para uma sonda de inspeção de superfícies exteriores (Figura 3 e a;.

O plano sensível é perpendicular a direção radiai ''r (Figura 1} . As bobinas sensíveis tem uma largura, representada por Δ1, e um ângulo entre duas bobinas consecutivas, representada por .a, de cerca de 45 graus. o número de elementos sensíveis é determinado por nD/Δθ em que D ímj representa o diâmetro do tubo a inspecionar e ΔΘ [mj representa o comprimento de cada bobina, b número de 5 bobinas e a sua dimensão depende na resolução espacial pretendida.

Aumentando o número de bobinas irá aumentar a resolução espacial.

Bobinas espirais convencionais apresentam uma limitação comum que consiste na d.1.1 icuidaoe de oeteção de um defeito qué passe ent re 10 duas bobinas consecutivas (Figura 8). Para colmatar esta dificuldade costuma ser usada uma matriz com duas colunas de bobinas, com um desvio, para garantir que todas as posições tangenciais do tubo estão cobertas pelo sensor, dm beneficio evidente das bobinas trapezoidais é que uma matriz com apenas uma 15 coluna de bobinas permite que este espaço na zona de interface que dificulta a deteção de defeitos desapareça cobrindo: todo o perímetro do tubo por elementos sensíveis (Figura 6).

Outra vantagem desta geometria da matriz de bobinas sensíveis 20 espirais trapezoidais pianas em substrato flexível (componente 2), consiste na resolução espacial que é melhorada para o mesmo número de bobinas. Com bobinas espirais circulares ou retangulares eziste uma área de sensibilidade exclusiva (14) em que se perde resolução espacial. Numa geometria trapezoidal esta área é muito menor, o 25 que reduz a incerteza na localização do defeito, e melhora a resolução espacial (Figura 7) . Um defeito axial que passe entre duas bobinas espirais retangulares ou circulares pode não ser detetado, enquanto que com uma geometria trapezoidal o defeito é sempre detetado e pode ate ser detetado pelas duas bobinas. Por 30 outro lado, o sinal de indicação do defeito será o resultado da combinação das duas bobinas, o que pode indicar com mais precisão se o defeito está mais perto de uma ou de outra bobina (dependendo da intensidade da contribuição de cada uma), aumentando assim a precisão da posição tangencial do defeito (Figura 7).

Chassis da sonda - componente 3:

chassis ds socas, correspondoo

nduuldas j aplicar en; ensaios nao destr ma t e r i a i s c o nd u toras de e 1 e t r l o ida cie .

Figura 2 ~ Vista tridimensional de desenho de conjunto cia sonda.

Figura 4 - Vista tridimensional de desenho de conjunto da sonda, pura secções de superticies circulares exteriores, posicionada no 30 exterior do material a inspecionar;

1; enrolamento de excitação, 2) Matrir de bobí.nas sensíveis espirai trapezoidais planas eii; substrato flezivel, 31 Chassis da sonda, 3) Material a inspecionar

Figura 5 ~ Desenho da disposição de 4 bobinas sensíveis espiral trapezoidal planas em substrato flexível;

2) Matriz de bobinas sensíveis espiral trapezoidais planas em sub st r a to f1exí ve1

Figura 6 ~ Desenho esquemático da direção das correntes usando uma bobina espiral circular plana (Esq.) e uma bobina espiral t r a p e z o i d a 1 p 1 a n a (D i r. ) ;

2) Matriz de bobinas sensíveis espiral trapezoidais planas em 10 substrato flexível., 8) defeito axial, 9) zona de interface entre bobinas em que se perde informação, 10) perímetro do tubo

Figura 7 - Bobinas espiral circular plana (esquerda) vs espiral retangular (centro) vs espiral trapezoidal (direita). Um defeito 15 axial pode não ser detetado por uma espiral circular ou retangular convencional, no entanto ambas as trapezoidais o fariam,

2) Matriz de bobinas sensíveis espiral, trapezoidais planas em substrato flexível, 8) defeito axial, 10) perímetro do tubo, 11) Matriz de bobinas sensíveis espiral circular planas, 12) Matriz, de bobinas sensíveis espiral retangular planas, 13) Comprimento das bobinas sensíveis ΔΘ, 14) área de sensibilidade exclusiva (ASE), 15) ângulo das bobinas sensíveis o 0, 16) ângulo das bobinas sensíveis α Ψ 0, 17) diâmetro das bobinas sensíveis circulares, 18) largura das bobinas sensíveis trapezoidais ou retangulares

Fi gura 8 ~ Esquema das bobinas sensíveis e do enrolamento de excitação. Comparação entre excitação em ziguezague axial com ziguezague inclinado. 0 enrolamento de excitação inclinado garante que existam correntes a passar pelo defeito pelo menos numa o0 ocasiao;

1) Enrolamento de excitação, 2) Matriz de bobinas sensíveis espiral trapezoidais planas em substrato flexível, 8) defeito axial, 10) perímetro do tubo, 13) Comprimento das bobinas sensíveis ΔΘ, 16) ângulo das bobinas sensíveis α d

Q, 18) largura das bobinas sensíveis trapezoidais, 19)

Exemplos de aplicação

Esta sonda foi validada experimentalmente com a inspeção de um componente tumular. O componente em questão consáste num tubo com um diâmetro interior de 35 mm constituído por um aço austenltico. Sendo um componente de elevada responsabilidado era necessária a deteção de ceieitos com qualquer orientação e com tamannos mínimos· de 2 .;rm de comprimento, 0,2 mm de largura e 0,5 mm de profundidade. Na Figura 9 apresenta-se o resultado obtido ao usar a sonda um causa onde se pode ver dois sinais claros correspondentes aos defeitos. Q sinal obtido tem elevada relaçáo sinal. ruido demonstrando a alta sensibilidade da sonda.

Claims (9)

REIVINDICAÇÕES

1. Sonda do ensaios não destrutivos por correntes induzidas caracterixada por compreender (a) um enrolamento de excitação (1) enrolado em torno de um chassis da sonda (3) em depressões existentes, cuja geometria corresponde ao negativo do referido enrolamento: de excitação í 1; ;

(b; ama matriz de bobinas sensíveis cot geometria espirai trapezoidal plana (2) colocada sobre o referido enrolamento de excitação (1), centrada face ao referido enrolamento de excitação (1), abraçando (ç) um chassis de sonda (3> em todo ou em parte do seu perímetro que, no seu conjunto, constitui uma sonda oustumizável a diferentes diâmetros.

2. Sonda de ensaios nâo destrutivos por correntes induzidas, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pôr o enrolamento de excitação (1) apresentar a forma de ziguezagué inclinado e não axial, sendo constituído por múltiplos troços paralelos entre si, dispostos uniformemente ao longo do perímetro do chassis da sonda (3).

3. Sonda de ensaios não destrutiv-os por correntes induzidas, de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizada por o enrolamento de excitação (1) compreender dois troços adjacentes que intercetam o centro geométrico e a interface entre duas bobinas espirais trapezoidais planas (2) da matriz de bobinas sen síveis.

4. Sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acordo com as reivindicações la 3, caracterizada por a matriz de bobinas sensíveis com geometria espiral trapezoidal plana (2) encontrar-se num substrato flexível, de forma concêntrica c'om a superfície do componente tubular em inspeção no ensaio não destrutivo; em que cada bobina é constituída, mas não exclusivamente, por duas espirais trapezoidais, uma em cada face do substrato e ligadas no centro»

5» Sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acorde com a reivindicação 1, caracterizada por o chassis da sonda (3) concêntrico com a geometria tubular conter na sua geometria a forma negativa do enrolamento de excitação (1) .

6.» Sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizada por o chassis da sonda (3) cuja geometria é customizável de acordo com. a aplicação da sonda, conforme:

a) possui uma superfície concêntrica com a superfície interior do componente a inspecionar e com o diâmetro próximo do diâmetro interior do componente a inspecionar, aquando a inspeção de superfícies tubulares interiores;

b) possui uma superfície concêntrica com a superfície exterior do componente a inspecionar e com o diâmetro próximo do diâmetro exterior do componente a inspecionar, e envolve todo o perímetro exterior do componente a inspecionar, ou apenas uma parte, aquando a inspeções a superfícies exteriores.

7. Método de utilização da sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizada por operar segundo um método de inspeção baseado na análise da variação da tensão elétrica induzida, cuja medição é realizada:

a) Em absoluto aos terminais de cada bobina da matriz de bobinas sensíveis (2) durante o movimento axial ou tangencial da sonda ao longo do componente de geometria tubular a inspecionar;

b) Em série ligando duas, ou mais, bobinas da matriz de bobinas sensíveis (2) em serie, durante o movimento axial ou tangencial da sonda ao longo do componente de geometria tubular a inspecionar;

c) Em diferencial entre duas bobinas da matriz de bobinas sensíveis (2) consecutivas, mas não obrigatoriamente, durante o movimento axial da sonda ao longo do componente de geometria tubular a inspecionar.

8. Uso da sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acordo com as reivindicações 1 e 7, em ensaios não destrutivos de materiais condutores de eletricidade.

9. Uso da sonda de ensaios não destrutivos por correntes induzidas, de acordo com a reivindicação anterior, na avaliação de existência de defeitos com qualquer orientação no material em ensaios não destrutivos de materiais ondutores de eletricidade.

Caparica, 22 de Junho de 2018