As fissuras nos elementos de fixação podem comprometer a integridade estrutural e a segurança em aplicações de engenharia. A deteção precoce destas fissuras é crucial. Este artigo analisa os métodos tradicionais e modernos de ensaios não destrutivos (NDT), destacando técnicas como a análise de wavelet e impulsos electromagnéticos. Os leitores ficarão a conhecer os últimos avanços nas tecnologias de deteção de fissuras e as suas aplicações práticas, garantindo a fiabilidade e a durabilidade dos elementos de fixação em várias indústrias.
Este artigo apresenta um resumo do estado atual das tecnologias de deteção de fissuras, incluindo as suas vantagens e limitações, bem como tópicos importantes e direcções de desenvolvimento futuro. Baseia-se nos métodos existentes de deteção de fissuras em fixadores, com destaque para a análise wavelet e os ensaios não destrutivos por impulsos electromagnéticos.
Os fixadores são amplamente utilizados em vários domínios da engenharia, como a maquinaria, a construção, as pontes e a produção de petróleo. Como componente básico de grandes estruturas, os fixadores são susceptíveis a vários defeitos, incluindo fissuras, corrosão, buracos e danos induzidos pelo homem durante o funcionamento.
As fissuras representam uma ameaça significativa para a segurança e a fiabilidade das estruturas e instituições, tornando a deteção de fissuras um aspeto essencial da avaliação estrutural. A deteção de fissuras envolve a identificação e avaliação de fissuras em estruturas mecânicas para determinar a sua localização e extensão.
Com o avanço do fabrico de máquinas modernas, da eletrónica e da tecnologia informática, os ensaios não destrutivos (END) melhoraram significativamente, levando ao desenvolvimento de técnicas avançadas de deteção de fissuras.
Este artigo apresenta uma panorâmica dos métodos tradicionais de deteção de fissuras e centra-se nos métodos modernos de NDT baseados na análise de wavelets e em impulsos electromagnéticos (correntes de Foucault). Além disso, destaca os tópicos actuais e as direcções de desenvolvimento futuro nas técnicas de deteção de fissuras em fixadores.
Existem numerosas técnicas tradicionais de deteção de fissuras, que podem ser classificadas em dois grupos: métodos de deteção convencionais e não convencionais.
Os métodos de deteção convencionais incluem o ensaio por correntes de Foucault, o ensaio por penetrantes, o ensaio por partículas magnéticas, o ensaio por radiação e o ensaio por ultra-sons. Os métodos de deteção não convencionais, por outro lado, incluem ensaios de emissão acústica, ensaios de infravermelhos e ensaios holográficos a laser.
Atualmente, os métodos de ensaio convencionais são amplamente utilizados para a deteção de fissuras simples em domínios de engenharia como a maquinaria, a construção e a produção de petróleo. Os métodos utilizados variam consoante a instituição.
Por exemplo, os ensaios ultra-sónicos são utilizados principalmente para inspecionar placas metálicas, tubos, barras, peças fundidas, peças forjadas e soldaduras, bem como estruturas de betão, como pontes e construções de habitações. O ensaio por raios X é utilizado principalmente para inspecionar peças fundidas e soldaduras em indústrias como a maquinaria, armamento, construção naval, eletrónica, aeroespacial, petroquímica e outras. O ensaio de partículas magnéticas é utilizado principalmente para a inspeção de peças metálicas fundidas, forjadas e soldaduras. O ensaio de penetração é utilizado principalmente para a inspeção de peças fundidas, forjadas, soldadas, peças de metalurgia dos pós e produtos metálicos não ferrosos e ferrosos feitos de cerâmica, plástico e vidro. A deteção de correntes parasitas é utilizada principalmente para a deteção de falhas e a seleção de materiais de tubos, barras e fios condutores.
Para a deteção de fissuras em elementos de fixação, podem ser utilizados os ensaios ultra-sónicos e a deteção por correntes de Foucault. Por exemplo, um estudo experimental encontrou os melhores parâmetros de deteção de correntes de Foucault para pequenas fissuras em fixadores. Os resultados do estudo mostraram que os melhores parâmetros de deteção tinham uma relação linear entre os parâmetros de deteção de pequenas fissuras por correntes de Foucault e o sinal de fase, o que é importante para melhorar a precisão da deteção de pequenas fissuras em barras e para selecionar os parâmetros de deteção de correntes de Foucault para fixadores externos. No entanto, a deteção de correntes parasitas tem mais factores de interferência e requer técnicas especiais de processamento de sinais.
Outro método utilizado para a deteção de fissuras é o método de deteção de fissuras por estrutura de espetro de energia de propagação de ondas de Lamb, que é conhecido pela sua forte capacidade de penetração, elevada sensibilidade, rapidez e conveniência. No entanto, tem limitações como pontos cegos e bloqueios, que podem resultar na não deteção de fissuras próximas. O método também é difícil de caraterizar quantitativa e qualitativamente os defeitos encontrados.
Para a maioria dos elementos de fixação, são utilizados os métodos de ensaio de partículas magnéticas e de deteção de defeitos por fluorescência. Estes métodos são relativamente eficientes, mas consomem mão de obra e recursos materiais e podem prejudicar a saúde humana. Além disso, as inspecções falhadas ocorrem frequentemente devido a factores humanos.
Quando os métodos de ensaio convencionais não conseguem detetar fissuras nos fixadores, podem ser utilizados métodos de ensaio não convencionais como alternativa.
Os três métodos de deteção de fissuras não convencionais mais utilizados são
1) Tecnologia de emissão acústica.
A tecnologia de Emissão Acústica é amplamente reconhecida como o método mais avançado para a deteção de fissuras em equipamentos sob pressão. Tem sido utilizada com sucesso na avaliação da segurança de vasos de pressão e condutas, bem como na deteção de fissuras em materiais aeroespaciais e compósitos. No domínio do diagnóstico de fissuras em máquinas rotativas, tem sido utilizado principalmente para detetar fissuras em veios rotativos, engrenagens e rolamentos.
Uma das principais vantagens da Emissão Acústica é o facto de ser um método de deteção dinâmico, utilizando a energia emitida pelo objeto a ser testado em vez de energia externa. ensaios não destrutivos equipamentos como os testes ultra-sónicos ou radiográficos. Isto torna-o altamente sensível aos defeitos e capaz de detetar e avaliar o estado dos defeitos activos em toda a estrutura.
No entanto, existem também algumas desvantagens a considerar. A deteção de emissões acústicas é muito afetada pelo material a testar e pode ser perturbada por ruídos eléctricos e mecânicos no ambiente de teste. Além disso, a precisão da deteção pode ser limitada por uma baixa precisão de posicionamento e a informação obtida a partir da identificação da fenda é frequentemente limitada.
2) Deteção por infravermelhos.
A tecnologia de ensaios não destrutivos por infravermelhos (NDT) é amplamente utilizada numa variedade de indústrias, incluindo equipamento de energia, equipamento petroquímico, processamento mecânico, deteção de incêndios, análise de colheitas e deteção de defeitos em materiais e componentes.
Uma das principais vantagens do NDT por infravermelhos é que se trata de uma tecnologia de ensaio sem contacto que é segura, fiável, inofensiva para os seres humanos e altamente sensível. Tem uma vasta gama de deteção, velocidade rápida e não tem impacto no objeto a ser testado. Tem também uma elevada resolução espacial a longas distâncias.
No entanto, existem também algumas desvantagens a considerar. A sensibilidade de deteção dos infravermelhos depende da emissividade térmica da peça de teste e pode ser afetada pela interferência da superfície e pela radiação de fundo. A resolução do espécime original é fraca, tornando difícil medir com precisão a forma, tamanho e posição dos defeitos, particularmente quando são pequenos ou estão enterrados profundamente.
Além disso, a interpretação dos resultados dos testes é complexa e requer normas de referência, e os operadores têm de ser formados para utilizar a tecnologia de forma eficaz.
3) Deteção holográfica por laser.
A deteção holográfica por laser é utilizada principalmente para a inspeção de várias estruturas, tais como estruturas alveolares, materiais compósitos, carcaças de motores de foguetões sólidos, camadas de isolamento, camadas de revestimento e interfaces de grãos propulsores para deteção de defeitos. É também utilizada para a avaliação da qualidade das juntas de soldadura de placas de circuitos impressos e para a deteção de fissuras de fadiga em recipientes sob pressão.
Este método oferece várias vantagens, incluindo a facilidade de utilização, a elevada sensibilidade, a ausência de requisitos especiais para o objeto testado e a capacidade de realizar uma análise quantitativa dos defeitos.
No entanto, uma das suas desvantagens é que os defeitos de descolagem profundamente enterrados só podem ser detectados quando a área de descolagem é substancial.
Além disso, a deteção holográfica por laser requer normalmente um ambiente de sala escura e medidas rigorosas de isolamento de vibrações, tornando-a menos adequada para testes no local e possuindo certas limitações.
Com os avanços da ciência e da tecnologia, tem havido uma procura crescente de métodos de deteção de fissuras mais avançados em vários domínios da engenharia, como a maquinaria, a construção e a produção de petróleo. Este facto levou ao aparecimento de novas tecnologias para a deteção de fissuras.
O processamento de sinais e os ensaios não destrutivos por impulsos electromagnéticos (correntes de Foucault) são duas das novas tecnologias mais utilizadas e eficazes para a deteção de fissuras. Estes métodos oferecem soluções eficientes e fiáveis para a identificação de fissuras em várias aplicações.
Com o avanço da tecnologia de processamento de sinais, surgiram vários métodos de deteção de fissuras baseados no processamento de sinais, incluindo métodos no domínio do tempo, no domínio da frequência e no domínio do tempo-frequência, tais como a transformada de Fourier, a transformada de Fourier de curto prazo, a distribuição de Wigner-Ville, a transformada de Hilbert-Huang (HHT) e a separação cega de fontes.
Destes métodos, a análise de wavelets é o mais utilizado e representativo.
Os métodos de identificação de fissuras que utilizam a análise de wavelets podem ser divididos em duas categorias:
① Método de análise da resposta no domínio do tempo:
Este método inclui a utilização dos pontos singulares do mapa de decomposição no domínio do tempo, a alteração dos coeficientes wavelet e a alteração da energia após a decomposição wavelet. O objetivo deste método é identificar o momento em que ocorre o dano por fissura.
② Método de análise baseado na resposta espacial:
Este método utiliza a posição espacial do eixo espacial em vez do eixo temporal do sinal de resposta no domínio do tempo para a análise de wavelets, com a resposta no domínio espacial como entrada. Este método permite a determinação da localização da fissura.
Enquanto o método das ondaletas só pode determinar o momento em que ocorre o dano ou a localização do dano, o primeiro tem mais aplicações. Para identificar pequenas fissuras, a análise de wavelets deve ser combinada com outros métodos.
A tecnologia electromagnética combina múltiplas funções, como a deteção ultra-sónica, a imagem por correntes de Foucault, a matriz de correntes de Foucault e a deteção por correntes de Foucault pulsadas, para formar novas tecnologias avançadas de inspeção electromagnética.
As tecnologias comuns de deteção de fissuras incluem ensaios por correntes de Foucault pulsadas, imagens térmicas por correntes de Foucault pulsadas, ensaios não destrutivos de sonda dupla utilizando correntes de Foucault pulsadas e transdutor acústico eletromagnético (EMAT) e tecnologia de ensaio de memória magnética metálica.
Os ensaios de correntes parasitas pulsadas envolvem a excitação de uma bobina com uma corrente de impulso, a análise do sinal de resposta transitória no domínio do tempo induzido pela sonda de deteção e a deteção quantitativa de fissuras através da seleção do valor de pico, do tempo de cruzamento zero e do tempo de pico do sinal.
A investigação realizada por Yang Binfeng e outros na Universidade Nacional de Tecnologia de Defesa demonstrou que as correntes parasitas pulsadas podem detetar quantitativamente fissuras de diferentes profundidades com apenas um exame. Alguns investigadores utilizam bobinas harmónicas como uma tecnologia alternativa para os ensaios por correntes parasitas pulsadas.
No entanto, o valor de pico do sinal de correntes parasitas pulsadas é facilmente afetado por outros factores, tais como o efeito de elevação e a capacidade de deteção da sonda de correntes parasitas pulsadas também pode afetar a deteção de fissuras.
Os instrumentos de imagem por correntes parasitas pulsadas utilizam bobinas como sensores de inspeção, enquanto alguns utilizam sensores Hall. Nos últimos anos, os instrumentos de interferência super quântica começaram a ser utilizados no domínio da inspeção não destrutiva.
A tecnologia de imagem térmica por correntes parasitas pulsadas elimina o efeito de descolamento noutras detecções e assegura resultados de imagem precisos. Alguns investigadores utilizam feixes laser YNG com uma forma de feixe gaussiano na superfície de chapas metálicasutilizando a tecnologia de deteção de correntes de Foucault pulsadas e de transdutores acústicos electromagnéticos. Identificam as fissuras através da deteção de uma alteração súbita na forma de onda ultra-sónica ou de um aumento súbito dos componentes de frequência quando o feixe laser irradia a fissura.
Atualmente, a investigação sobre a deteção de fissuras em elementos de fixação limita-se aos métodos de deteção tradicionais. Para fazer avançar a tecnologia de deteção e resolver problemas de aplicação prática, a identificação de danos por fissuras centra-se principalmente em dois aspectos: métodos de identificação estatística que consideram o impacto da incerteza e a identificação de microfissuras em elementos de fixação.
A incerteza da deteção de danos por fissuras exige a utilização de métodos de inferência estatística para resolver o problema da identificação do sistema. Com o avanço da investigação sobre a identificação de danos, o estudo dos métodos de identificação de danos baseados na teoria estatística probabilística aprofundou-se, sendo as principais áreas de aplicação actuais a identificação de sistemas e o reconhecimento de padrões.
Existem atualmente métodos de deteção de microfissuras em elementos de fixação, tais como a deteção de microfissuras baseada na tecnologia TIC e a fundição ultra-sónica a laser baseada no aquecimento assistido por laser, mas ambos têm limitações. Por exemplo, a deteção de microfissuras com base na tecnologia TIC pode ter dificuldade em distinguir detalhes se o valor de cinzento na imagem recolhida não for muito diferente do valor de cinzento do fundo, afectando a qualidade da imagem e dificultando a sua aquisição. Além disso, é incerto extrair a gama espacial que contém todas as microfissuras quando se utiliza o software VG Studio MAX. A limitação do método de aquecimento assistido por laser baseado na projeção ultra-sónica por laser é o facto de ser complicado de operar e não poder ser utilizado em ambientes agressivos, pelo que necessita de mais desenvolvimento.
À medida que a economia social continua a desenvolver-se, os requisitos para os métodos de deteção de fissuras em fixadores estão a tornar-se cada vez mais exigentes. Estes métodos devem satisfazer as necessidades de deteção em linha em tempo real, ser altamente sensíveis, simples de operar, resistentes a interferências externas e capazes de funcionar em ambientes adversos. Devem também detetar com rapidez e precisão a localização, o tamanho, a largura, a profundidade e a tendência de desenvolvimento das fissuras, apresentar os resultados dos testes em imagens que possam ser analisadas e oferecer uma velocidade de deteção rápida, uma elevada eficiência e resultados intuitivos.
Tem sido realizada uma extensa investigação sobre a identificação de danos por fissuras em fixadores, mas os actuais métodos e indicadores de identificação de danos estão limitados aos métodos de deteção tradicionais. Tendo em conta o custo dos equipamentos de ensaio, o ambiente em que são utilizados e os factores humanos, a deteção de múltiplas fissuras e microfissuras em fixadores é uma área de interesse atual da investigação.
A direção do desenvolvimento da deteção de fissuras em fixadores consiste em conseguir um posicionamento rápido, uma quantificação precisa, melhorar a precisão e a fiabilidade da deteção e conseguir uma deteção rápida e eficaz das fissuras.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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