Os tubos de aço são amplamente utilizados em várias indústrias para o transporte de líquidos, gases e fluidos perigosos em longas distâncias. As superfícies dos tubos geralmente são revestidas para fornecer uma barreira protetora. No entanto, o revestimento do tubo pode corroer com o tempo, colocando o produto em contato com a superfície do tubo e, por fim, causando corrosão. Para antecipar e prevenir falhas catastróficas, métodos de testes não destrutivos (NDT) são freqüentemente empregados. Entre os vários métodos, o teste ultrassônico é um dos mais eficientes e fáceis de executar. (Para uma visão geral de outros métodos, leia os 4 principais métodos de inspeção não destrutiva para corrosão sob isolamento.)
A transdução eletromagnética do ultrassom
As ondas ultrassônicas são ondas acústicas com frequências superiores a 20 kHz. Convencionalmente, o ultrassom é gerado em uma amostra usando um cristal piezoelétrico. O ultrassom é transmitido para a amostra através de um meio de acoplamento (coplante líquido ou seco). Para que este método funcione de forma eficiente, a superfície deve ser limpa antes da transmissão das ondas acústicas de ultrassom. Consequentemente, o tempo total necessário para digitalizar corretamente o pipeline será grande e o processo muito tedioso.
Um transdutor acústico eletromagnético (EMAT) gera ultrassom por meio de um acoplamento eletromecânico. O ultrassom é gerado dentro da amostra através do mecanismo de força de Lorentz. Com este método, o contato direto da amostra não é necessário para que os EMATs funcionem, eliminando o tempo necessário para a limpeza da superfície. Isso facilita uma inspeção rápida dos ativos do pipeline.
Componentes do Transdutor Acústico Eletromagnético (EMAT)
Um sensor EMAT para gerar e receber ultrassom consiste em dois componentes principais:
- Uma bobina de transporte de corrente
- um imã permanente
O EMAT é colocado sobre a amostra na qual o ultrassom será gerado, conforme mostrado na Figura 1. A Figura 2 mostra os componentes e o mecanismo de geração dos EMATs.
Figura 1. Geração de ultrassom com EMAT.
Figura 2. Componentes dos EMATs e mecanismo de geração de ultrassom.
Uma corrente alternada é alimentada à bobina de transporte de corrente na frequência desejada. A corrente alternada flutuante na bobina gerará loops de corrente parasita dentro da amostra condutiva, que é regida pela Lei de Indução de Faraday. Um campo magnético de polarização do ímã permanente induz um campo magnético dentro da amostra. Esse campo magnético interage com a corrente parasita para criar uma força de Lorentz (um princípio semelhante é usado em motores elétricos). A força de Lorentz gerada aciona o movimento de partículas carregadas na amostra. Essas partículas carregadas, que estão em movimento, colidem com a rede cristalina e causam a propagação do ultrassom.
A polarização da onda gerada depende da direção da força de Lorentz. Portanto, quando EMATs são usados, é fácil gerar o modo de onda desejado alterando a orientação do imã permanente e da bobina condutora de corrente.
Como os EMATs são usados para realizar inspeções de dutos
Várias modalidades de inspeção podem ser empregadas usando o EMAT. Ondas em massa são usadas para medições localizadas. As ondas guiadas são usadas para inspeção de longo alcance. (Mais informações no artigo Teste ultrassônico de onda guiada para nãopigável Oleodutos.)
Em ambos os casos, o princípio de medição é baseado no tempo de chegada da onda refletida. Por exemplo, ao usar ondas brutas para a medição de uma amostra pura, a reflexão virá da parede inferior do tubo em um momento específico. Se a amostra estiver corroída (ou seja, uma perda de espessura da parede do material), então a onda refletida do limite chega primeiro. Da mesma forma, se houver uma trinca na amostra, haverá uma reflexão causada pela trinca. Essa reflexão da trinca chegará antes da reflexão do limite. Assim, com base nos tempos de chegada das ondas, pode-se detectar a presença de trincas ou corrosão. (Teste seus conhecimentos com nosso QUIZ: Inspeção de rachaduras em dutos.)
Inspeção robótica de dutos
Uma inspeção no local costuma ser complicada devido aos ambientes perigosos e desafiadores. Além disso, a inspeção manual de tubulações é demorada, cara e pode resultar em muitos riscos à saúde. Nesses casos, podem ser usados testes ultrassônicos automatizados usando robôs ou drones capazes de implantar sensores. Os EMATs são atraentes para tais aplicações porque são sem contato e não requerem nenhum acoplamento. Além disso, como os tubos utilizados convencionalmente são longos e largos, os transdutores são montados em uma plataforma robótica para realizar a inspeção rapidamente.
Vantagens dos EMATs sobre a transdução piezoelétrica
Como o ultrassom é gerado dentro da amostra, o uso do EMAT tem várias vantagens exclusivas em comparação com a transdução piezoelétrica.
EMATs são uma técnica sem contato
Esta é uma das principais vantagens do transdutor EMAT. A natureza sem contato significa que os EMATs podem ser usados para inspecionar componentes onde a aplicação de um acoplador não é possível, por exemplo, inspecionar peças muito quentes ou muito frias.
Não há necessidade de limpar a superfície
Os EMATs geram ultrassom dentro da amostra. Uma implicação importante disso é que não é necessário limpar a superfície da amostra antes da inspeção. Portanto, mesmo amostras cuja superfície é áspera ou coberta com revestimentos, uma camada de óxido, sujeira ou um líquido ou revestimento não condutor podem ser inspecionados. Isso torna os EMATs candidatos adequados para implantação em ambientes hostis. Além disso, a integração desses sensores na plataforma robótica facilita a inspeção rápida.
Fácil de gerar modos de onda diferentes e exclusivos, como modos de corte horizontal
A construção dos EMATs é relativamente simples, conforme mostrado na Figura 2. Colocando o ímã e a bobina em várias orientações, os modos de onda desejados podem ser gerados. Esta é uma tarefa tediosa com a técnica piezo convencional porque as cunhas devem ser feitas em um ângulo específico para gerar o modo de onda desejado.
Limitações dos EMATs
As desvantagens dos EMATs incluem o seguinte.
Baixa eficiência de transdução
Uma desvantagem do EMAT é sua baixa eficiência de transdução. Isso se deve ao processo de transdução eletromagnética, onde a energia de entrada é perdida na forma de calor. Como resultado, a relação sinal-ruído (SNR) é baixa. Portanto, para o funcionamento eficiente do EMAT, é necessária uma entrada de alta potência e eletrônica específica para melhorar o sinal.
A amostra deve estar dirigindo
Os EMATs trabalham com base no princípio da força de Lorentz, conforme explicado na Figura 2. Para gerar uma força de Lorentz, o material deve ser condutor para suportar uma corrente parasita. Por exemplo, no caso de tubos de PVC, os EMATs não podem gerar ultrassom diretamente a partir deles. No entanto, usando uma fita condutora (como folha de alumínio ou folha de cobre), um ultrassom pode ser gerado. Aqui, o ultrassom será gerado na folha condutora usando EMAT e depois transferido para os tubos de PVC. No entanto, isso ainda torna todo o mecanismo um processo de contato, o que afeta negativamente a velocidade de inspeção.
Conclusão
A natureza sem contato e a versatilidade dos EMATs os tornam um componente atraente da inspeção ultrassônica robótica. O sensor EMAT pode ser implantado para detectar corrosão, rachaduras e espessura do revestimento da tubulação. No entanto, o uso do EMAT é uma técnica relativamente nova e seu potencial ainda não foi totalmente explorado. O principal problema ao implementar o EMAT para inspeções de campo de dutos é a necessidade de uma fonte de entrada de alta potência e componentes eletrônicos dedicados para melhorar a relação sinal-ruído. A pesquisa está em andamento para desenvolver sistemas de baixa potência para EMAT.