ABENDI Líquidos Penetrantes, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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• Jan./ 2004 Jun. /

Prefácio

“Este trabalho representa um guia básico para

programas de estudos e treinamento de pessoal em

Ensaio por Líquidos Penetrantes , contendo assuntos

voltados para as aplicações mais comuns e importantes

deste método de Ensaio Não Destrutivo. Trata-se

portanto de um material didático de interesse e consulta,

para os profissionais e estudantes que se iniciam ou

estejam envolvidos com a inspeção de materiais por

método superficial."

O Autor

umário

Assunto Pág.

Generalidades Introdução ................................................................................................... Finalidades do Ensaio ................................................................................. Princípios Básicos........................................................................................ Vantagens e Limitações do Ensaio ..............................................................

04 04 04 04 07

Propriedades dos Produtos e Princípios Físicos .......................................... Propriedades físicas do penetrante ............................................................. Sensibilidade do penetrante ......................................................................... Propriedades do revelador ........................................................................... Impurezas e Contaminantes ........................................................................

09 09 13 14 16

Acuidade Visual do Inspetor ..........................................................................

Procedimentos para Ensaio ........................................................................... Preparação da Superfície .............................................................................. Métodos de Limpeza da Superfície ................................................................ Temperatura da Superfície e do Líquido Penetrante ...................................... Aplicação do Penetrante ................................................................................ Tempo de Penetração .................................................................................... Remoção do Excesso de Penetrante ............................................................. Revelação ...................................................................................................... Secagem e Inspeção ...................................................................................... Iluminação ....................................................................................................... Limpeza Final .................................................................................................. Identificação e Correção das deficiências no Ensaio ....................................... Registros dos Resultados ................................................................................

21

24 24 24 25 26 27 28 30 31 31 35 36 36

Avaliação e Aparência das Indicações ............................................................ Fatôres que afetam as indicações ...................................................................

38 38

Segurança e Proteção ..................................................................................... 41

Critérios de Aceitação ...................................................................................... ASME Sec. VIII Div. 1 e 2, Sec. I ................................................................... CCH- ............................................................................................................. AWS D1. .........................................................................................................

42 42 43 45

Roteiro para Elaboração da Instrução para Ensaio........................................... 47

Dicas e Recomendações para a Realização do Ensaio ................................... 48

Exercícios de Revisão ...................................................................................... 50

Obras Consultadas ........................................................................................... 69

S

ENERALIDADES

Introdução

O ensaio por líquidos penetrantes é um método desenvolvido especialmente para a detecção de descontinuidades essencialmente superficiais, e ainda que estejam abertas na superfície do material. Este método, se iniciou antes da primeira guerra mundial, principalmente pela indústria ferroviária na inspeção de eixos, porém tomou impulso quando em 1942, nos EUA, foi desenvolvido o método de penetrantes fluorescentes. Nesta época, o ensaio foi adotado pelas indústrias aeronáuticas, que trabalhando com ligas não ferrosas, necessitavam um método de detecção de defeitos superficiais diferentes do ensaio por partículas magnéticas (não aplicável a materiais não magnéticos). A partir da segunda guerra mundial, o método foi se desenvolvendo, através da pesquisa e o aprimoramento de novos produtos utilizados no ensaio, até seu estágio atual.

Finalidade do ensaio

O ensaio por líquidos penetrantes presta-se a detectar descontinuidades superficiais e que sejam abertas na superfície, tais como trincas, poros, dobras, etc..podendo ser aplicado em todos os materiais sólidos e que não sejam porosos ou com superfície muito grosseira. É muito usado em materiais não magnéticos como alumínio, magnésio, aços inoxidáveis austeníticos, ligas de titânio, e zircônio, além dos materiais magnéticos. É também aplicado em cerâmica vitrificada, vidro e plásticos.

Princípios básicos

O método consiste em fazer penetrar na abertura da descontinuidade um líquido. Após a remoção do excesso de líquido da superfície, faz-se sair da descontinuidade o líquido retido através de um revelador. A imagem da descontinuidade fica então desenhada sobre a superfície. Podemos descrever o método em seis etapas principais no ensaio , quais sejam:

a) Preparação da superfície - Limpeza inicial

Antes de se iniciar o ensaio, a superfície deve ser limpa e seca. Não devem existir água, óleo ou outro contaminante. Contaminantes ou excesso de rugosidade, ferrugem, etc, tornam o ensaio não confiável.

G

d) Revelação

Consiste na aplicação de um filme uniforme de revelador sobre a superfície. O revelador é usualmente um pó fino (talco) branco. Pode ser aplicado seco ou em suspensão, em algum líquido. O revelador age absorvendo o penetrante das descontinuidades e revelando-as. Deve ser previsto um determinado tempo de revelação para sucesso do ensaio.

Aplicação do revelador e observação da indicação

e) Avaliação e Inspeção

Após a aplicação do revelador, as indicações começam a serem observadas, através da mancha causada pela absorção do penetrante contido nas aberturas, e que serão objetos de avaliação.

A inspeção deve ser feita sob boas condições de luminosidade, se o penetrante é do tipo visível (cor contrastante com o revelador) ou sob luz negra, em área escurecida, caso o penetrante seja fluorescente.

A interpretação dos resultados deve ser baseada no Código de fabricação da peça ou norma aplicável ou ainda na especificação técnica do Cliente.

Nesta etapa deve ser preparado um relatório escrito que mostre as condições do ensaio, tipo e identificação da peça ensaiada, resultado da inspeção e condição de aprovação ou rejeição da peça.

Em geral a etapa de registro das indicações é bastante demorada e complexa, quando a peça mostra muitos defeitos. Portanto , o reparo imediato das indicações rejeitadas com posterior reteste, é mais recomendável.

Absorção do líquido, pelo revelador, de dentro da abertura

f) Limpeza pós ensaio

A última etapa, geralmente obrigatória, é a limpeza de todos os resíduos de produtos, que podem prejudicar uma etapa posterior de trabalho da peça (soldagem, usinagem, etc....).

Vantagens e limitações do ensaio , em comparação com outros métodos.

Vantagens.

Poderíamos dizer que a principal vantagem do método é a sua simplicidade. É fácil de fazer de interpretar os resultados. O aprendizado é simples, requer pouco tempo de treinamento do inspetor. Como a indicação assemelha-se a uma fotografia do defeito, é muito fácil de avaliar os resultados. Em contrapartida o inspetor deve estar ciente dos cuidados básicos a serem tomados (limpeza, tempo de penetração, etc), pois a simplicidade pode se tornar uma faca de dois gumes. Não há limitação para o tamanho e forma das peças a ensaiar, nem tipo de material; por outro lado, as peças devem ser susceptíveis à limpeza e sua superfície não pode ser muito rugosa e nem porosa. O método pode revelar descontinuidades (trincas) extremamente finas (da ordem de 0,001 mm de abertura ).

ROPRIEDADES DOS PRODUTOS E PRINCÍPIOS

FÍSICOS

Propriedades físicas do penetrante

O nome “penetrante” vem da propriedade essencial que este produto deve ter, ou seja, sua habilidade de penetrar em aberturas finas. Um produto penetrante deve ser fabricado com boas propriedades e deve atender aos seguintes pontos::

a) ter habilidade para rapidamente penetrar em aberturas finas; b) ter habilidade de permanecer em aberturas relativamente grandes; c) não evaporar ou secar rapidamente; d) ser facilmente limpo da superfície onde for aplicado; e) em pouco tempo, quando aplicado o revelador, sair das descontinuidades onde tinha penetrado; f) ter habilidade em espalhar-se nas superfícies, formando camadas finas; g) ter um forte brilho. O fabricante deve verificar a concentração do corante vermelho no penetrante com base na Lei de Beer (pag. 33) h) a cor ou a fluorescência deve permanecer quando exposto ao calor, luz ou luz negra; i) não reagir com sua embalagem nem com o material a ser testado; j) não ser facilmente inflamável; k) ser estável quando estocado ou em uso; l) não ser demasiadamente tóxico ; m) ter baixo custo.

Para que o penetrante tenha as qualidades acima, é necessário que certas propriedades estejam presentes. Dentre elas destacam-se:

a) Viscosidade.

Esta propriedade por si só não define um bom ou mal penetrante (quando falamos em bom ou mal penetrante nos referimos a sua habilidade em penetrar nas descontinuidades). A intuição nos diz que um líquido menos viscoso seria melhor penetrante que um mais viscoso. Isto nem sempre é verdadeiro, pois a água que tem baixa viscosidade não é um bom penetrante. Todavia, a viscosidade tem efeito em alguns aspectos práticos do uso do penetrante. Ele é importante na velocidade com que o penetrante entra num defeito. Penetrantes mais viscosos demoram mais a penetrar nas descontinuidades. Penetrantes pouco viscosos têm a tendência de não permanecerem muito tempo sobre a superfície da peça, o que pode ocasionar tempo insuficiente para penetração.

P

Líquidos de alta viscosidade têm a tendência de serem retirados dos defeitos quando se executa a limpeza do excesso.

b) Tensão superficial.

A força que existe na superfície de líquidos em repouso é denominada tensão superficial. Esta tensão superficial é devidas às fortes ligações intermoleculares, as quais dependem das diferenças elétricas entre as moléculas, e pode ser definida como a força por unidade de comprimento ( N/m) que duas camadas superficiais exercem uma sobre a outra. Este efeito é bem intenso na água e no mercúrio, por exemplo, e pode ser percebido também com a ajuda de outro fenômeno: a capilaridade. Quando um líquido é colocado em um tubo capilar (tubo muito fino), a atração entre as moléculas do líquido e as moléculas do material do tubo podem ser maiores ou menores do que a força de coesão interna do líquido, ocasionando desta forma a formação de uma concavidade (a) ou uma convexidade (b) na superfície do líquido, forma que apenas pode ser obtida devido ao efeito de tensão superficial nos líquidos.

(a) (b)

As forças que envolvem o efeito da tensão superficial são aquelas associadas com a ação de capilaridade ou pressão de superfície (P) dada pela fórmula:

P = 2.γ , onde γ é a tensão superficial R

θ

r

R

P

θ

r

R

P

θ

r

R

P

θ

r

R

P

d) Volatibilidade

Podemos dizer, como regra geral, que um penetrante não deve ser volátil, porém devemos considerar que para derivados de petróleo, quanto maior a volatibilidade, maior a viscosidade. Como é desejável uma viscosidade média, os penetrantes são mediamente voláteis.

A desvantagem é que quanto mais volátil o penetrante, menos tempo de penetração pode ser dado. Por outro lado, ele tende a se volatilizar quando no interior do defeito.

e) Ponto de fulgor

Ponto de fulgor é a temperatura na qual há uma quantidade tal de vapor na superfície do líquido que a presença de uma chama pode inflamá-lo. Um penetrante bom deve ter um alto ponto de fulgor (acima de 90 °C). A tabela 2 mostra os pontos de fulgor de alguns líquidos, para comparação. Esta propriedade é Importante quando considerações sobre a segurança estão relacionadas à utilização do produto.

Tabela 2 - Pontos de fulgor de alguns líquidos

LIQUIDO Ponto de Fulgor Acetona (^) - 18° C Nafta - 1° C Álcool metílico 12 ° C Álcool etílico (^14) ° C Glicerina (^160) ° C

f ) Inércia química

É obvio que um penetrante deve ser inerte e não corrosivo com o material a ser ensaiado ou com sua embalagem quanto possível. Os produtos oleosos não apresentam perigo. A exceção é quando existem emulsificantes alcalinos. Quando em contato com água vai se formar uma mistura alcalina. Numa inspeção de alumínio ou magnésio, caso a limpeza final não seja bem executada, pode haver aparecimento após um certo período de corrosão na forma de “pitting”. Quando se trabalha com ligas à base de níquel, requer-se um penetrante com baixos teores de alguns elementos prejudiciais.

g) Habilidade de dissolução

Os penetrantes incorporam o produto corante ou fluorescente que deve estar o mais possível dissolvido. Portanto, um bom penetrante deve ter a habilidade de manter dissolvido estes agentes.

h) Toxidez

Evidentemente um bom penetrante não pode ser tóxico, possuir odor exagerado e nem causar irritação na pele.

Sensibilidade do penetrante.

Sensibilidade do penetrante é sua capacidade de detectar descontinuidades. Podemos dizer que um penetrante é mais sensível que outro quando, para aquelas descontinuidades em particular, o primeiro detecta melhor os defeitos que o segundo.

Os fatores que afetam a sensibilidade são:

a) Capacidade de penetrar na descontinuidade b) Capacidade de ser removido da superfície, mas não do defeito c) Capacidade de ser absorvido pelo revelador d) Capacidade de ser visualizado quando absorvido pelo revelador, mesmo em pequenas quantidades.

Algumas normas técnicas classificam os líquidos penetrantes quanto à visibilidade e tipo de remoção. A norma ASTM E-165 classifica os penetrantes conforme a tabela 3 , abaixo:

Tabela 3 - Tipos de Líquidos Penetrantes TIPOS MÉTODOS quanto à visibilidade Água Pós-Emulsificável Solvente “TIPO I” (Fluorescente)

A B (Lipofílico) D (Hidrofílico)

C

“TIPO II”

(Luz normal)

A - C

OBS. Classificação conforme Código ASME Sec.V - SE-165 ou ASTM E-

Classificam-se os reveladores conforme segue:

a) pós secos.

Foram os primeiros e continuam a ser usados com penetrantes fluorescentes. Os primeiros usados compunham-se de talco ou giz. Atualmente os melhores reveladores consistem de uma combinação cuidadosamente selecionada de pós.

Os pós devem ser leves e fofos. Devem aderir em superfícies metálicas numa camada fina, se bem que não devem aderir em excesso, já que seriam de difícil remoção. Por outro lado, não podem flutuar no ar, formando uma poeira. Os cuidados devem ser tomados para proteger o operador. A falta de confiabilidade deste tipo de revelador, torna o seu uso muito restrito.

b) Suspensão aquosa de pós

Geralmente usado em inspeção pelo método fluorescente. A suspensão aumenta a velocidade de aplicação quando pelo tamanho da peça pode-se mergulha-la na suspensão. Após aplicação a peça é seca em estufa, o que diminui o tempo de secagem. É um método que pode se aplicar quando usa-se inspeção automática. A suspensão deve conter agentes dispersantes, inibidores de corrosão, agentes que facilitam a remoção posterior.

c) Solução aquosa

A solução elimina os problemas que eventualmente possam existir com a suspensão (dispersão, etc).

Porém, materiais solúveis em água geralmente não são bons reveladores. Deve ser adicionado à solução inibidor de corrosão e a concentração deve ser controlada, pois há evaporação. Sua aplicação , deve ser feita através de pulverização.

d) Suspensão do pó revelador em solvente

É um método muito efetivo para se conseguir uma camada adequada (fina e uniforme) sobre a superfície.

Como os solventes volatilizam rapidamente, existe pouca possibilidade de escorrimento do revelador até em superfícies em posição vertical. Sua aplicação, deve ser feita através de pulverização.

Os solventes devem evaporar rapidamente e ajudar a retirar o penetrante das descontinuidades dando mais mobilidade a ele. Exemplos de solventes são: álcool, solventes clorados (não inflamáveis). O pó tem normalmente as mesmas características do método de pó seco.

Algumas normas classificam os reveladores com letras de a até d dependendo do tipo e aplicação, é o caso da norma Petrobras N-1596 (ver tabela 3a).

Foto de um Bloco Comparador da norma JIS-Z-2343 com trincas paralelas, usado para verificar a sensibilidade dos produtos penetrantes. A foto foi realizada com penetrante fluorescente. As trincas apresentadas por cada bloco são de várias aberturas, podendo ser adquiridos blocos contendo trincas de 10 μm até 50 μm

A norma da Petrobras N-1596 requer que seja feita uma verificação do lote de materiais penetrantes adquiridos. Assim, deve-se efetuar teste de sensibilidade do material recebido em uma temperatura dentro da faixa prevista, de forma a verificar se a sensibilidade do ensaio, está sendo mantida. O resultado do teste de recebimento deve ser registrado em relatório que conste:

a) nome do emitente b) identificação numérica; c) tipo de bloco de referência utilizado; d) número e revisão do procedimento; e) materiais penetrantes utilizados; f) normas de referência para interpretação dos resultados; g) laudo indicando aceitação ou rejeição; h) data do ensaio; i) identificação e assinatura do inspetor/operador responsável; j) número do lote de material penetrante examinado; k) número do lote de material penetrante de comparação

Impurezas e Contaminantes nos Produtos Penetrantes

No uso de produtos penetrantes (penetrante, reveladores e solventes) em materiais em aço inoxidável austeníticos, titanio, ligas a base de níquel outras ligas para altas temperaturas, as impurezas ou contaminantes devem sofrer restrições principalmente para enxofre, halogênios e metais alcalinos. Tais impurezas podem causar fragilização ou corrosão nesses materiais a elevadas temperaturas.

Entendendo melhor o processo de análise de contaminantes

O requisito 5.2.1 e 5.3.1 podemos explicar melhor conforme o esquema abaixo:

Análise para Penetrantes e Reveladores

O requisito 5.2.2 e 5.3.2 podemos explicar melhor conforme o esquema abaixo

Análise para Removedores e Solventes

A tabela abaixo são exemplos de cálculos de conteúdo de contaminantes.

Exemplo Produto analisado

Qde. de Resíduo obtido na amostra

Tolerância de acordo com o procedimento

Conteúdo do Contaminante

Cl F S

1 Penetrante 0,0030 g 0,0025 g 0,0003g 0,00001g 0,00004g

2 Penetrante 0,0068% 0,0025 g 0,03% 0,1% 0,000034g

3 Solvente 0,005 g 0,005 g 0,00002g 0,00004g 0,000002g

4 Removedor 0,003% 0,005 g 0,003g 0,00007g 0,09%

5 Revelador 0,04 g 0,0025 g 0,0025 g 0,0007g 0,00038g

Nota: Observe que a quantidade de resíduo pode ser dado em gramas ou em porcentagem, o que altera o cálculo.

Exemplo 1: Análise do Penetrante para uso em austeniticos: Requisito da norma: o resíduo de Cl+F não deve ser acima de 1% em peso Na tabela a soma Cl+F é de 0,00031g num resíduo total de 0,0030g (maior que 0,0025g)

O resíduo total - 0,0030g ------------- 100% Contaminantes - 0,00031g -------------Cl+F

Cl+F = 0,00031 x 100 / 0,0030 = 10,33% , está reprovado para uso pois está acima de 1 %

Exemplo 2: Análise do penetrante para Níquel: Requisito da norma: o resíduo de S não deve ser acima de 1% em peso Na tabela temos 0,0068% de resíduo na evaporação de 50g do produto, portanto, teremos que saber quanto representa 0,0068% em 50g de penetrante.

50g --------- 100% X ---------- 0,0068 %

X = 50 x 0,0068 / 100 = 0,0034 g de resíduo, portanto peso maior que 0,0025 g