EDSON VASQUES MOREIRA DETERMINAÇÃO DA QUALIDADE DA RADIOGRAFIA DIGITAL APLICADA ÀS SOLDAS DE GASODUTOS E OLEODUTOS TERRESTRES E MARÍTIMOS Tese apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica na área de Materiais. Orientador: Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira Guaratinguetá 2010 M838d Moreira, Edson Vasques Determinação da qualidade da radiografia digital aplicada às soldas de gasodutos e oleodutos terrestres e marítimos / Edson Vasques Moreira. - Guaratinguetá: [s.n], 2010. 165f.: il. Bibliografia: f.158-165 Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, 2010. Orientador: Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira 1. Radiografia 2. Solda e soldagem 3. Gasodutos 4. Oleodutos. I. Título CDU 616-073 (043) DADOS CURRICULARES EDSON VASQUES MOREIRA NASCIMENTO 19.12.1953 – PINDAMONHANGABA / SP FILIAÇÃO José Moreira Carmen Vasques Moreira 1974/1980 Curso de Graduação em Engenharia de Materiais Materiais Metálicos Universidade Federal de São Carlos – UFSCAR 2005/2007 Curso de Mestrado em Engenharia Mecânica Materiais e Processos Universidade de Taubaté – UNITAU 2008/2010 Curso de Doutorado em Engenharia Mecânica Materiais Universidade Estadual Paulista – UNESP Campus de Guaratinguetá – Escola de Engenharia de Guaratinguetá À minha esposa Sílvia, Filhos: Tatiana, Lívia e Fábio e ao meu neto Matheus. AGRADECIMENTOS Este trabalho é fruto de muita dedicação e que teve um grande apoio de várias pessoas e que agora se tornou uma realidade, da qual muito me orgulho. Especial agradecimento ao Prof. Dr. Marcelo dos Santos Pereira, pela decisiva e especial dedicação e pela orientação sempre objetiva e exata. À Yxlon International pelas imagens e apoio para execução dos testes em Hamburgo, Alemanha, com especial agradecimento ao amigo Miguel Souza. A todos os professores e alunos do Programa de Pós-graduação de Engenharia Mecânica - Materiais, desta universidade. Ao Departamento de Engenharia do Produto da TenarisConfab, Luis Carlos Chad, Marcos Ponciano e Fábio Arroyo Moreira pelo apoio sempre incondicional. Aos colegas soldadores e demais funcionários da Confab Equipamentos que prepararam os corpos-de-prova e que tiveram a árdua e difícil tarefa de colocar os defeitos necessários. Agradeço simbolicamente ao amigo Dunga em nome de todos. Aos meus colegas e amigos do setor de ensaios não destrutivos, Robson Pedroso Manão, Jorge José de Carvalho e Carlos Lemes de Castro pela ajuda nas providências e arranjos para que tudo saísse de acordo com o planejado. E aquela que está sempre presente e que com certeza ilumina o meu caminho, minha querida mãe, Carmen. “Embora ninguém possa voltar atrás e fazer um novo começo, qualquer um pode começar agora e fazer um novo fim” Chico Cândido Xavier MOREIRA, E. V., Determinação da qualidade da Radiografia Digital aplicada às Soldas de Gasodutos e Oleodutos Terrestres e Marítimos. 2010. 165f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2010. RESUMO As necessidades das empresas de explorar petróleo e gás no Brasil em águas profundas e ultras profundas, incluindo os reservatórios do pré-sal, têm exigido um desenvolvimento de melhores produtos e recursos tecnológicos para os dutos. As características dos tubos de aço, o insumo mais importante destes dutos, são as mais afetadas pelas mudanças exigidas, pelas técnicas de fabricação e pelos controles realizados durante o processo de manufatura destes tubos. As exigências das especificações das chapas de aço utilizadas estão maiores, o processo de formação e soldagem, é afetado pela busca de melhores procedimentos. Os processos de controle da qualidade das soldas dos tubos têm buscado aumentar a sua sensibilidade, visando à detecção de descontinuidades menores das que hoje são detectadas pelos métodos tradicionais. Em termos de ensaios não destrutivos, as exigências impostas para o ensaio radiográfico estão no limite do desempenho dos atuais filmes industriais disponíveis, além do compromisso sensibilidade versus tempo de exposição ser sempre um fator importante a ser considerado na produtividade exigida para atendimento dos ciclos de produção e acompanhar a velocidade das montagens dos tubos em campo. O objetivo desta tese foi estudar e determinar a qualidade da técnica da radiografia digital em relação à radiografia convencional para inspeção de juntas soldadas de tubos utilizando os parâmetros de avaliação, tais como, resolução espacial, relação sinal ruído, sensibilidade ao contraste, níveis de tons de cinza, etc. que são aplicáveis à imagens digitais. Para a avaliação da técnica da radiografia digital foram preparados 20 corpos-de-prova de juntas soldadas, com defeitos reais em 06 espessuras diferentes, distribuídos na faixa de 4,9 a 32,3 mm. Estes corpos-de-prova foram radiografados com a técnica convencional e com a digital. Na técnica convencional dois modelos de filmes industriais, os mais sensíveis, foram utilizados e na técnica digital se utilizou um detector plano com tamanho de pixel de 127 �m, modelo PaxScan 2520V fabricado pela empresa Varian Medical System. O software ISee! foi utilizado para a avaliação das imagens geradas. Pelos resultados obtidos pode-se verificar que a radiografia digital utilizando o método direto com os equipamentos avaliados, atende perfeitamente as exigências mais rigorosas dos gasodutos e oleodutos, terrestres e marítimos, ou seja, as exigências das normas ISO 10893-7 Classe B, DNV-OS-F101, API 5L e ISO 3183 que são utilizadas neste segmento de produto foram perfeitamente atendidas. Esta técnica agrega vários benefícios como: melhor qualidade, sensibilidade ao contraste e pequenos defeitos, aspectos de segurança e meio ambiente e saúde, maior probabilidade de detecção de defeitos, entre outros. PALAVRAS-CHAVE: Radiografia, Gasodutos, Oleodutos, Soldas e soldagem. MOREIRA, E. V.; Quality determination of digital radiography applied to weld seam of gas and oil pipelines on-shore and off-shore. 2009. 165p. Thesis (Doctorate in Mechanical Engineering) – College of Engineering, Campus of Guaratinguetá, São Paulo State University, Guaratinguetá. ABSTRACT The needs of the petroleum and gas industries in deepwater and ultra-deepwater oil and gas fields offshore of Brazil, including pre-salt reservoirs, are required to develop better products and technological resources for the pipelines. The characteristics of steel pipes, the most important duct of these pipelines are the most affected by the requirement changes, by manufacturing techniques and by the controls carried out during the manufacturing process of these pipes. The requirements of steel plates specifications used, forming and welding process are more restrictive and affected by seeking better procedures. The quality control processes of welds of the pipes have sought to increase its sensitivity to detect minor discontinuities in comparison with the traditional methods. In terms of non-destructive tests, the requirements for the radiographic testing are within the limit of performance of current traditional industrial films available; in addition to undertaking sensitivity versus time of exposure is always an important factor to be considered in productivity required for production cycles and following the installation speed of the tubes in the field. The goal of this thesis was to study and determine the technical quality of digital radiography in relation to conventional radiography for inspection seam weld of pipes using the evaluation parameters each as basic spatial resolution, signal noise ratio, contrast sensitivity, gray level, etc. applicable to digital image. To evaluate the digital radiography technique were prepared 20 welded seam samples with defects in 06 wall thickness, distributes in the range of 4,9 to 32,3 mm. These samples were tested with conventional and digital radiographic techniques. Two models of industrials films were used for the conventional technique, the must sensible, and in the digital technique used a DDA with 127 �m pixel size, model PaxScan 2520V manufactured by Varian Medical System. The software ISee! was used to evaluate the generated image. Through the results obtained is possible to verify that the digital radiography, using the direct method with the evaluated equipments, fulfill the most stringent requirements of gas pipelines and oil pipelines onshore and offshore, or the requirements of ISO 10893-7 Class B, DNV-OS-F101, ISO 3183 and API 5L that are used in this segment of product were perfectly met. This technique aggregates several benefits like: better quality, contrast sensitivity, detect ability of minor defects, safety and environmental aspects and health, major probability of detection defects, among others. KEYWORDS: Radiography, Gas-pipeline, Oil-pipeline, Weld seam. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1.1 - Projeto de duto em águas profundas – Pré-sal.......................................23 FIGURA 3.1 - Primeira imagem digital, Russell Kirsch – 176 pixel............................30 FIGURA 3.2 - Radiografia digital (a) Diagnóstico de tratamento de canal. (b) Panorâmica da boca..........................................................................31 FIGURA 3.3 - Diagrama simplificado da seção do olho humano.................................33 FIGURA 3.4 - Ângulo de visão versus numero de bastonetes e cones.........................33 FIGURA 3.5 - Representação gráfica do olho vendo uma palmeira. O ponto C é o centro da lente ótico.......................................................34 FIGURA 3.6 - Curva da intensidade da luz versus o brilho subjetivo do olho humano.....................................................................................35 FIGURA 3.7 - Fenômeno Bandas de Mach..................................................................36 FIGURA 3.8 - Fenômeno de contraste simultâneo.......................................................37 FIGURA 3.9 - Algumas ilusões de óticas bem conhecidas...........................................37 FIGURA 3.10 - Conceito de uma imagem digital.........................................................38 FIGURA 3.11 - Comportamento entre os valores de pixel e os tons de cinza..............38 FIGURA 3.12 - Uma imagem de 1024 x 1024, de 8 bits reduzida para o tamanho de 32 x 32 pixels. O número de níveis de cinza foi mantido a 256.................................................................................40 FIGURA 3.13 - (a) Imagem de 1024x1024, 8 bits. (b) Imagem de 512x512 redefinida para 1024x1024 pixels por duplicação de linha e coluna. (c) até (f) Imagens redefinidas de 32x32, 64x64, 128x128 e 256x256 para 1024x1024 pixels........................................41 FIGURA 3.14 - (a) 452x374, imagem com 256 níveis de cinza. (b) a (d) imagem exibida com 128, 64 e 32 níveis de cinza, mantendo constante a resolução espacial. (e) a (g) imagens exibidas com 16, 8, 4 e 2 níveis de cinza...........................................................42 FIGURA 3.15 – Gerar uma imagem digital. (a) Imagem (b) Imagem continua. (c) Amostragem. (d) Quantificação.....................................43 FIGURA 3.16 - (a) Imagem continua projetada em uma matriz de sensores (b) Resultado da amostragem e quantificação da imagem..................45 FIGURA 3.17 - (a) Sensor único de imagem. (b) Linha de sensores. (c) Matriz de sensores..........................................................................45 FIGURA 3.18 - Combinação de um sensor simples com movimento para gerar imagem em 2-D..........................................................................46 FIGURA 3.19 - Aquisição de imagem usando (a) Régua de sensores. (b) Régua circular de sensores.............................................................47 FIGURA 3.20 - Exemplo do processo de aquisição de uma imagem digital................48 FIGURA 3.21 - Fonte de raios X (TAUHATA et al., 2003).........................................49 FIGURA 3.22 - Espectro típico dos Raios X.................................................................50 FIGURA 3.23 - (a) Método para determinação da área focal. (b) Imagem do ponto focal/filamento..................................................50 FIGURA 3.24 - Efeito fotoelétrico................................................................................51 FIGURA 3.25 - Efeito Compton...................................................................................52 FIGURA 3.26 - Formação de pares...............................................................................53 FIGURA 3.27 - Importância relativa dos processos......................................................53 FIGURA 3.28 - Imagem radiográfica de defeitos típicos em soldas.............................56 FIGURA 3.29 - Técnica de exposição PS-VS. (a, b, c) Junta circunferencial. (d) Junta plana............................................................57 FIGURA 3.30 - (a) Inspeção de cargas e containers. (b) Inspeção de aros de rodas..................................................................................58 FIGURA 3.31 - Aplicações da radiografia digital.........................................................59 FIGURA 3.32 - Ambiente integrado de imagens da radiografia digital........................62 FIGURA 3.33 - Rejeitos da radiografia convencional (a) Reveladores e fixadores. (b) Embalagens plásticas....................................................65 FIGURA 3.34 - Detecção de defeito por sistema automático. (a) Imagem original. (b) Defeito detectado.............................................................65 FIGURA 3.35 - Imagens criadas pelo sistema de processamento de imagens que identifica e avalia as imagens radiográficas dos defeitos de solda em tempo real. (a) imagem original. (b) imagem binária. (c) imagem binária após redução de ruído. (d) imagem original com os defeitos identificados..............................66 FIGURA 3. 36 - Fluxograma de um processo de avaliação de imagem........................67 FIGURA 3.37 - Exemplo de processamento de imagem (a) Imagem do cordão de solda como obtida (b) Imagem com filtro passa alto aplicado...............................................................................67 FIGURA 3.38 - Imagens de defeitos identificadas por um sistema automático de imagens (a) Imagem de um rechupe. (b) Imagem de bolhas de gás...............................................................68 FIGURA 3.39 - Imagem digital de um duto de uma polegada avaliado por um sistema semi-automático de controle...................................69 FIGURA 3.40 - Comparação entre Digital, Filme e Radioscopia.................................69 FIGURA 3.41 - Probabilidade de detecção de defeitos com PS-VS, PD-VS e Radioscopia........................................................................................70 FIGURA 3.42 - Exemplo de um sistema de backup em rede........................................71 FIGURA 3.43 - Comparação da resolução geométrica de vários métodos de imagem...............................................................................................72 FIGURA 3.44 - Esquema do MTF que representa os atributos de resolução de um sistema radiográfico digital.......................................................73 FIGURA 3.45 - (a) Alto valor de MTF. (b) Baixo valor de MTF.................................73 FIGURA 3.46 - Conteúdo da imagem com freqüência específica................................74 FIGURA 3.47 - Esquema do NPS representando os atributos de ruído de um sistema radiográfico digital...........................................................75 FIGURA 3.48 - Efeito do ruído na perceptibilidade dos defeitos.................................77 FIGURA 3.49 - Influência do ruído na visibilidade do entalhe na radiografia.............78 FIGURA 3.50 - IQI de arame (ISO 19232-1, 2004).....................................................80 FIGURA 3.51 - IQI de Arame Duplo ( ISO 19232-5, 2004 ).......................................80 FIGURA 3.52 - Penumbra da imagem. (a) Imagem ideal (b) Imagem com penumbra ou falta de nitidez...............................................................81 FIGURA 3.53 - Disposição geométrica entre fonte filme e objeto...............................82 FIGURA 3.54 - Critério para avaliação do perfil do IQI de arames duplos..................83 FIGURA 3.55 - Fluxograma de como atender a exigência da penumbra da imagem.........................................................................85 FIGURA 3.56 - Valor ideal da penumbra geométrica, Ug............................................85 FIGURA 3.57 - Valor ideal da ampliação.....................................................................86 FIGURA 3.58 - Detalhe do arranjo experimental.........................................................87 FIGURA 3.59 - Radiografia do par mais fino de arames..............................................87 FIGURA 3.60 - Imagens radiográficas dos pares de arames - Influência da ampliação na penumbra obtida.......................................................87 FIGURA 3.61 - Foto de um DDA e o esquema básico.................................................88 FIGURA 3.62 - Estrutura e funcionamento de um DDA com cintiliador.....................89 FIGURA 3.63 - (a) Matriz de sensores de silício amorfo. (b) Fotomicrografia identificando um pixel.........................................................................90 FIGURA 3.64 - Diagrama do circuito de uma matriz de sensores de silício amorfo.................................................................................91 FIGURA 3.65 - Conversão da luz pelos cintiladores de Fósforo e CsI.........................92 FIGURA 3.66 - Estrutura de um cintilador. (a) De fósforo (b) Iodeto de Césio...........93 FIGURA 3.67 - Exemplo de calibração (a) Imagem inadequada. (b) Imagem adequada em um DDA.........................................................................94 FIGURA 3.68 - Defeitos comuns em um DDA (BAVENDIEK; 2005)........................95 FIGURA 3.69 - Tela em funcionamento, com um pixel morto na região central.........96 FIGURA 3.70 - Estratégia para correção de pixel com defeito. (a) Pixel morto. (b) Conjunto de pixels defeituosos......................................................96 FIGURA 4.1 - Fluxograma das etapas do trabalho.......................................................97 FIGURA 4.2 - Detector plano Varian PaxScan 2520V...............................................102 FIGURA 4.3 - Ampliação da imagem radiográfica.....................................................103 FIGURA 4.4 - Esquema da colocação do detector dentro do tubo..............................104 FIGURA 4.5 - Determinação da Distância Mínima Objeto-Detector..........................105 FIGURA 4.6 - Arranjo para a radiografia digital. (a) Esquema e (b) Detalhamento..................................................................................107 FIGURA 4.7 - Colocação dos Indicadores de Qualidade de Imagem.........................109 FIGURA 4.8 - Medição da Resolução espacial básica, SRB......................................110 FIGURA 4.9 - Método alternativo para medição dos valores de SRB........................111 FIGURA 4.10 - Perfil do IQI de Arame Duplo para curva MTF................................112 FIGURA 4.11 - Curva de MTF para o CP 01 com tempo de integração de 8 segundos.....................................................................................114 FIGURA 4.12 - Esquema de medição dos valores de SNRN.......................................118 FIGURA 4.13 - Medição dos valores de SNRN...........................................................119 FIGURA 5.1 - Medições da resolução espacial básica para a técnica convencional...........................................................................124 FIGURA 5.2 - Medições da resolução espacial básica para a técnica digital, sem calço metálico...............................................................................126 FIGURA 5.3 - Medições da resolução espacial básica para a técnica digital, com calço metálico..............................................................................126 FIGURA 5.4 - Curvas MTF. (a) CP07, (b) CP14 e (c) CP12......................................127 FIGURA 5.4 - (Continuação) Curvas MTF. (d) CP01, (e) CP03 e (f) CP05..............128 FIGURA 5.5 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessuras 4,9; 6,4 e 9,7 mm (ISO/DIS 10893-7)...............................133 FIGURA 5.6 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessuras 19,2; 25,3 e 32,3 mm (ISO/DIS 10893-7).........................134 FIGURA 5.7 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessuras 4,9 e 6,4 mm (Solda).........................................................135 FIGURA 5.8 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessuras 9,7 mm (Solda)..................................................................135 FIGURA 5.9 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessuras 19,2 mm (Solda)................................................................136 FIGURA 5.10 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessura 25,3 mm............................................................................136 FIGURA 5.11 - Sensibilidade ao IQI de contraste tipo arame. Espessura de 32,3 mm.......................................................................137 FIGURA 5.12 - Valores médios obtidos da SNRN para as espessuras de 4,9, 6,4, 9,7, 19,2 e 25,3 mm........................................................140 FIGURA 5.13 - Valores médios obtidos da SNRN para espessura de 32,3 mm – DOD 155 e 80 mm..........................................................................141 FIGURA 5.14 - Valores da SNRN para o CP18 – DOD 80 mm..................................142 FIGURA 5.15 - Sensibilidade ao contraste (IQI de arame) em função da SNRN e do Tempo de Integração - CP18...........................................143 FIGURA 5.16 - Espessura de 4,9 mm - CP04. (a) Filme D4, (b) 1s e (c) 32s............144 FIGURA 5.17 - Espessura de 6,4 mm – CP12. (a) Filme D4, (b) 2s e (c) 32s...........145 FIGURA 5.18 - Espessura de 9,7 mm – CP07. (a) Filme D4, (b) 2s e (c) 32s...........145 FIGURA 5.19 - Espessura de 19,2 mm – CP01. (a) Filme D4, (b) 4s e (c) 32s.........146 FIGURA 5.20 - Espessura de 25,3 mm – CP03. (a) Filme D4, (b) 8s e (c) 32s.........146 FIGURA 5.21 - Espessura de 32,3 mm – CP18. (a) Filme D4, (b) 16s e (c) 32s.......147 FIGURA 5.22 - Defeitos críticos – Comparação entre as técnicas.............................148 FIGURA 5.23 - Defeitos críticos complementares – Comparação entre as técnicas...............................................................................149 FIGURA 5.24 - Comparação dos Tempos de Exposição e Integração.......................152 FIGURA 5.25 - Comparação das Exposições Relativas entre a Técnica Digital e Convencional.........................................................153 LISTA DE TABELAS TABELA 3.1 - Características típicas entre Filme, CR e DR.......................................61 TABELA 3.2 - Custo por exposição entre as técnicas (BOIY, 2006)...........................63 TABELA 3.3 - IQI de arame (ISO 19232-1)................................................................79 TABELA 3.4 - IQI de arame duplo (ISO 19232-5, 2004 )...........................................81 TABELA 4.1 - Valores exigidos no ensaio de tração...................................................98 TABELA 4.2 - Composição Química Exigida (API 5L, 2007)....................................98 TABELA 4.3 - Relação de corpos-de-prova.................................................................99 TABELA 4.4 - Junta soldada e tipos de defeitos criados............................................100 TABELA 4.5 - Características dos filmes utilizados...................................................101 TABELA 4.6 - Parâmetros utilizados para ensaio com filmes....................................101 TABELA 4.7 - Especificação do Detector plano PaxScan 2520V..............................103 TABELA 4.8 - Mínima Distância Objeto ao Detector................................................106 TABELA 4.9 - Fator de ampliação para DOD mínimo e DFD de 700 mm................106 TABELA 4.10 - Distância mínima do foco ao detector, para fator de ampliação de 1,18..............................................................................107 TABELA 4.11 - Parâmetros utilizados para radiografia digital..................................108 TABELA 4.12 - Espessura dos calços utilizados........................................................109 TABELA 4.13 - Valores dimensionais do IQI de Arame Duplo................................113 TABELA 4.14 - Dados para construção da curva MTF..............................................113 TABELA 4.15 - Valores de resolução espacial para o CP 01 com tempo de integração de 8 s.................................................................115 TABELA 4.16 - Arame essencial para IQI de contraste de arame pela API 5L........................................................................................116 TABELA 4.17 - Arame essencial exigido pela DNV-OS-F101.................................116 TABELA 4.18 - Arame essencial proposto pela ISO/DIS 10893-7............................117 TABELA 4.19 - Arame Duplo proposto pela ISO/DIS 10893-7................................117 TABELA 5.1 - Valores obtidos do ensaio de tração dos corpos-de-prova.................121 TABELA 5.2 - Análise química dos corpos-de-prova................................................122 TABELA 5.3 - Resolução Espacial Básica (SRB) para a Técnica Convencional.........................................................................124 TABELA 5.4 - Resolução Espacial Básica (SRB) para a Técnica Digital, Experimental.......................................................................................125 TABELA 5.5 - Valores da resolução espacial do sistema – MTF 20% .....................129 TABELA 5.6 - Exigência do IQI de contraste para IQI de arame duplo e do IQI de Arame – Técnica digital.................................................131 TABELA 5.7 - Arame exigido e experimental - Técnica convencional, filme AGFA D4 e KODAK M100...............................................................132 TABELA 5.8 - Valores da SNRN por espessura..........................................................139 TABELA 5.9 - Valores da SNRN para CP18 com longa exposição............................141 TABELA 5.10 - Tempos de Integração Mínimos para ISO/DIS 10893-7..................150 TABELA 5.11 - Tempos de Integração Mínimos para DNV-OS-F101, API 5L e ISO 3183............................................................................151 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABENDI Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção ADR Automatic Detection Recognition API American Petroleum Institute ARBL Alta Resistência e Baixa Liga a-Si Silício amorfo ASM American Society of Materials ASTM American Society for Testing and Materials AWS American Welding Society BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung CCD Charge-Coupled Devices Cd/m2 Candela por metro quadrado CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor CP Corpo-de-prova CNEN Comissão Nacional de Energia Nuclear CS Contrast Sensitivity CsI Iodeto de césio DICONDE Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation DDA Digital Detector Array DFD Distância da Fonte ao Detector DNV Det Norsek Veritas DOD Distância do Objeto ao Detector DQE Detective Quantum Efficiency DQEe Detective Quantum Efficiency Effective EDM Eletric Discharge Machining EN European Standard END Ensaios não Destrutivos FF Falta de Fusão FP Falta de Penetração GD Gradiente a uma Densidade Ótica, D Gd2O2S Oxi Sulfito de Gadolínio GEIT General Electric Inspection Technologies GMAW Gas Metal Arc Welding IE Inclusão de Escória IQI Indicador de Qualidade de Imagem ISO International Standard Organization LE Limite de Escoamento LR Limite de Resistência �eff Coeficiente de Atenuação Efetivo MTF Função da Transferência da Modulação NBR Norma Brasileira Registrada NBS National Bureau of Standards NIST National Institute of Standard and Technology NPS Noise Power Spectrum PDVD Parede Dupla Vista Dupla PDVS Parede Dupla Vista Simples Pl/mm Par de linhas por milímetro PO Poro POD Probability of Detection PSL Product Specification Level PSVS Parede Simples Vista Simples RC Radiografia Computadorizada RD Radiografia Digital RF Radiofreqüência SRB Resolução Espacial Básica SNQC Sistema Nacional de Qualificação e Certificação SNR Relação Sinal Ruído SNRN Relação Sinal Ruído Normalizada Tiff Tagged Image File Format TFT Thin film transistor TR Trinca TRC Tubo de Raios Catódicos Ug Geometricy Unsharpness 2-D Duas dimensões 3-D Três dimensões SUMÁRIO Lista de Figuras..............................................................................................................ix Lista de Tabelas.............................................................................................................xv Lista de Abreviaturas e Siglas......................................................................................xvii INTRODUÇÃO............................................................................................................23 OBJETIVOS................................................................................................................ 28 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................30 3.1 Introdução ................................................................................................................30 3.2 O olho humano.........................................................................................................32 3.2.1 Formação da imagem no olho...............................................................................34 3.2.2 Adaptação ao brilho e discriminação....................................................................34 3.2.3 Fenômenos visuais................................................................................................36 3.3 Imagem Digital........................................................................................................37 3.3.1 Resolução espacial e nível de cinza......................................................................39 3.3.2 Amostragem e quantificação de imagens..............................................................42 3.3.3 Tipos de sensores utilizados para aquisição de imagens.......................................44 3.3.3.1 Aquisição de imagem usando um sensor simples...............................................45 3.3.3.2 Aquisição de imagem usando régua de sensores................................................46 3.3.3.3 Aquisição de imagem usando uma matriz de sensores.......................................47 3.4 Aparelhos de Raios X..............................................................................................48 3.5 Forma de interação da radiação com a matéria ......................................................50 3.5.1 Efeito Fotoelétrico.................................................................................................51 3.5.2 Efeito Compton......................................................................................................51 3.5.3 Formação de Pares.................................................................................................53 3.6 Inspeção de juntas soldadas.....................................................................................54 3.6.1 Aparência das descontinuidades............................................................................54 3.6.2 Imagens radiográficas ...........................................................................................56 3.6.3 Técnicas de exposição ...........................................................................................57 3.7 Radiografia digital.....................................................................................................58 3.7.1 Aplicações atuais da Radiografia Digital ..............................................................58 3.7.2 Vantagens da radiografia digital............................................................................60 3.7.2.1 Avaliação dos custos relativos............................................................................62 3.7.2.2 Radioproteção e redução de dose........................................................................63 3.7.2.3 Impactos ambientais e resíduos industriais.........................................................64 3.7.2.4 Reconhecimento automático de defeitos............................................................65 3.7.2.5 Comparação do desempenho e probabilidade de detecção de defeitos..............69 3.7.2.6 Segurança dos dados...........................................................................................70 3. 8 Qualidade do sistema radiográfico digital...............................................................72 3.8.1 Resolução...............................................................................................................72 3.8.2 Ruído relativo.........................................................................................................74 3.8.3 Relação Sinal Ruído...............................................................................................75 3.8.3.1 Relação Sinal Ruído Normalizada (SNRN).........................................................76 3.8.4 Sensibilidade ao Contraste e Relação Contraste Ruído (Contrast Noise Ratio)....77 3.8.5 Indicadores de Qualidade de Imagem, IQI.............................................................78 3.8.5.1 IQI de arame para sensibilidade ao contraste......................................................79 3.8.5.2 IQI de arame duplo..............................................................................................80 3.8.6 Penumbra................................................................................................................81 3.8.6.1 Resolução espacial básica, SRB...........................................................................83 3.8.6.2 Técnica da ampliação..........................................................................................84 3.8.7 Características do Monitor.....................................................................................88 3.9 Detector plano para radiografia digital......................................................................88 3.9.1 Princípio de operação.............................................................................................88 3.9.2 Matriz de sensores de silício amorfo......................................................................90 3.9.3 Métodos de conversão dos Raios X........................................................................91 3.9.3.1 O método cintilador.............................................................................................91 3.10 Programa para controle da qualidade do sistema.....................................................92 3.10.1 Calibração do DDA...............................................................................................94 3.10.2 Tratamento para pixel morto.................................................................................95 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E METODOLOGIA..................................97 4.1. Planejamento experimental.......................................................................................97 4.2. Material.....................................................................................................................98 4.2.1 Corpos-de-prova.....................................................................................................99 4.3 Ensaio radiográfico dos corpos-de-prova...............................................................100 4.3.1. Técnica convencional..........................................................................................100 4.3.2. Técnica Digital....................................................................................................102 4.3.2.1 Cálculo para determinação das Distâncias........................................................103 4.3.2.2 Determinação da Resolução Espacial Básica....................................................108 4.3.2.3 Determinação da Sensibilidade ao IQI de Contraste do tipo Arame.................115 4.3.2.4 Determinação da Relação Sinal Ruído Normalizado, SNRN ............................118 4.3.2.5 Verificação da sensibilidade à defeitos reais.....................................................119 4.4 Certificação do pessoal............................................................................................120 RESULTADOS E DISCUSSÕES..............................................................................121 5.1 Ensaio de tração do material...................................................................................122 5.2 Análise química do material....................................................................................122 5.3 Avaliação pelo ensaio radiográfico.........................................................................122 5.3.1 Resolução espacial básica, SRB ...........................................................................123 5.3.2 Sensibilidade ao IQI de contraste do tipo arame..................................................131 5.3.3 Relação sinal ruído normalizado, SNRN ..............................................................139 5.3.4 Sensibilidade a defeitos reais................................................................................144 5.3.4.1 Galeria de imagens de defeitos e comparação entre as técnicas........................148 5.4 Tempo de integração mínimo..................................................................................150 5.5 Comparação das exposições relativas entre as técnicas...........................................153 CONCLUSÕES............................................................................................................154 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................158 23 Capítulo 1 Introdução As empresas em busca de petróleo e gás em campos cada vez mais profundos têm exigido um desenvolvimento de melhores produtos e recursos tecnológicos para os dutos a serem utilizados, como é o caso do Brasil com a exploração de águas profundas, incluindo os reservatórios do pré-sal, conforme é mostrado na Figura 1.1. As especificações e normas utilizadas têm aumentado o nível de qualidade do produto, entre outras, diminuírem os tamanhos das descontinuidades aceitas. Figura 1.1 - Projeto de duto em águas profundas. Pré-sal (PETROBRAS, 2009). As características dos tubos de aço, o insumo mais importante destes dutos, são as mais afetadas pelas mudanças exigidas, sendo que e as técnicas de fabricação e controle da manufatura destes tubos, têm buscado a excelência. As características técnicas do aço das chapas utilizadas, o processo de formação e soldagem também estão sendo afetados pela busca de melhores procedimentos. Os processos de controle da qualidade das soldas dos tubos têm buscado aumentar a sua sensibilidade, visando à detecção de descontinuidades menores (ISO 3183; DNV-OS-F101, 2007). Petróleo 24 Dos ensaios não destrutivos, as exigências impostas para o ensaio radiográfico estão no limite do desempenho dos filmes industriais disponíveis, além do compromisso sensibilidade versus tempo de exposição ser sempre um fator importante a ser considerado na produtividade exigida para atendimento dos ciclos de produção que tem de acompanhar a velocidade das montagens dos tubos no campo. O ensaio radiográfico é muito utilizado durante a fabricação dos tubos e, até o momento, a técnica em uso é com filmes. Esta, por mais que se possa automatizar, é artesanal e demanda um grande esforço repetitivo dos operadores e inspetores envolvidos. As atividades envolvidas, neste tipo de inspeção, vão desde a identificação, colocação do filme, exposição, revelação, fixação, lavagem, laudo até arquivamento e controle por vários anos. Uma das tarefas mais sensíveis deste processo é o laudo das radiografias, onde o inspetor avalia várias radiografias em busca de descontinuidades no cordão de solda que possam ser prejudiciais ao uso futuro do tubo, os denominados defeitos. A empresa TenarisConfab atualmente é uma das maiores consumidora de filmes industriais no Brasil, com consumo diário de aproximadamente 2000 unidades. Os critérios de aceitação são estabelecidos, normalmente, considerando as dimensões e distribuição dos defeitos e seu tipo. As ferramentas atuais para ajudar o inspetor nesta tarefa são, além de um negatoscópio com intensidade de luz regulável, lentes de aumento, lupas, escalas, etc. Em termos de normalização da ISO (Internacional Organization for Standartization), o comitê técnico ISO/TC 17, SC 19 está elaborando a norma ISO/DIS 10893-7 (Non-destructive testing of steel tubes – Digital radiographic testing of the weld seam of welded steel tubes for the detection of imperfections) que irá estabelecer as exigências mínimas para a aplicação da radiografia digital em soldas destes tubos. Nesta norma estão sendo incluídas as melhores práticas para aplicação da técnica digital e serviram de base para a elaboração desta tese, juntamente com as normas DNV-OS-F101, API 5L e ISO 3183, normas estas aplicadas mundialmente para a manufatura de tubos (DNV-OS-F101, 2007; API 5L, 2007; ISO 3183, 2007). 25 Um dos métodos de imagem previsto na norma ISO/DIS 10893-7 é a radiografia direta (Direct radiography, DR), que utiliza detectores planos (Digital Detector Array, DDA), pois até o momento não existe uma norma especifica para aplicação em tubos para alta pressão com o uso deste tipo de equipamento. O DDA, foi escolhido devido ao alto grau de automatização, mais adequado as linhas de produção de produtos seriados, pois as etapas de manuseio e preparação não são necessárias. Este método traz também a redução do tempo de exposição e do tempo de ciclo de operação, que resulta em benefícios à saúde e a segurança dos trabalhadores, além de melhorias significativas relativas ao meio ambiente pela não utilização de filmes e químicos reveladores e fixadores. A motivação para a aplicação da radiografia digital no segmento de petróleo e gás é devido ao “estado da arte” e ao nível tecnológico e benefícios que se obteve da técnica, nas áreas médica, odontológica, aeroespacial, nuclear, componentes eletrônicos, segurança, arte, etc., onde os tradicionais filmes industriais estão sendo substituídos (AMIN, 2008; BETTUZZI et al., 2004; SAMEI, RAVIN, 2008; VIEIRA et al., 2006; VAN DER STELT, 2005 e 2008; PINCU, KLEINBERGER, 2008). Nos diversos segmentos, a técnica digital tem sido utilizada como melhoria da qualidade, na redução de doses de exposição e operadores, ganho de produtividade e na melhoria das análises da probabilidade de detecção de defeitos (Probability of Detection, POD), aplicadas na análise de integridade de equipamentos (ZSCHERPEL, 2005; MOHR, WILLEMS, 2008; BECKMANN et al., 2008). No Brasil, alguns procedimentos e aplicações com a radiografia digital, tanto computadorizada como a direta, têm sido avaliados, porém são poucos os casos ainda devidamente normalizados (FERREIRA, 2009; MOREIRA et al., 2009; MOREIRA, 2007; MOREIRA et al., 2007; N-2821, 2007; OLIVEIRA, 2007; RABELLO et al., 2007; SILVA, 2008; SIMÕES et al., 2008). Baseado nestes fatos, a motivação desta tese é executar os ensaios e medições avaliando os parâmetros da relação sinal ruído das imagens, determinar a resolução espacial básica para cada uma das espessuras envolvidas, determinar a sensibilidade ao 26 contraste tanto na região do metal base como na região do cordão de solda, a sensibilidade à pequenos defeitos, fazer a comparação da sensibilidade obtida entre a técnica digital e a convencional, bem como, comparar os tempos de exposição e de integração e também as respectivas exposições relativas. Os resultados encontrados nesta tese serviram de base para comprovar a possibilidade da sua aplicação no processo de fabricação de tubos utilizados no segmento de petróleo e gás, pois as exigencias são maiores e também devido as dificuldades relativas ao tipo de material, produtividade e sensibilidade. Iqualmente irá contribuir para a discussão e definições de critérios na elaboração final da norma ISO/DIS 10893-7, e futuramente servirá como base para a elaboração da norma brasileira sobre o assunto. Desta forma, esta tese encontra-se dividida em 5 capítulos, a saber: No capítulo 2 estão explicados os objetivos desta tese e as principais etapas e parâmetros verificados. No capítulo 3 é apresentada a fundamentação teórica do trabalho realizado sobre a técnica radiográfica digital utilizada sendo este basicamente sub-dividido em: fundamentos da imagem digital, tipos de sensores, aparelhos de raios X, forma de interação da radiação com a matéria, inspeção de juntas soldadas. Especificamente sobre a radiografia digital foram explicadas as aplicações atuais e suas vantagens, parâmetros essenciais para garantia da qualidade da imagem, detector plano, princípio de operação, tipos, métodos de conversão dos raios X, programa para controle da qualidade do sistema digital incluindo calibração e tratamento para pixel morto. 27 No capítulo 4 encontram-se apresentados os procedimentos experimentais, metodologias aplicadas e os equipamentos e sistemas utilizados. No capítulo 5 são mostrados os resultados dos experimentos realizados e as respectivas discussões comparando as técnicas avaliadas. No capítulo 6 são encontradas as conclusões finais e sugeridos novos temas para serem estudados. 28 Capítulo 2 Objetivos O objetivo principal desta tese foi avaliar a qualidade da técnica da radiografia digital, através dos parametros indicados abaixo, em relação à radiografia convencional, que utiliza os tradicionais filmes radiográficos industriais, em juntas soldadas de tubos utilizados em oleodutos e gasodutos marítimos e terrestres. Para isto, foram realizados experimentos que envolvem a verificação da qualidade das imagens, da sensibilidade destas técnicas na detecção de defeitos críticos, do desempenho em relação às exigências das normas DNV-OS-F101, API 5L, ISO 3183 e os valores propostos que a norma ISO/DIS 10893-7, que está em desenvolvimento e da comparação entre os tempos de exposição e os respectivos resultados. Na realização do objetivo, as seguintes etapas foram desenvolvidas: � Avaliação da resolução espacial básica, SRB (Basic Spacial Resolution), pela utilização dos Indicadores de Qualidade de Imagem (IQI) de arame duplo colocados no metal base, com e sem calço metálico, pelos métodos do arame duplo e pelo cálculo da função de transferência de modulação (Modulation Transfer Function, MTF), confrontando os resultados com as exigências e propostas das normas envolvidas. � Avaliação da sensibilidade ao contraste CS (Contrast Sensitivity) através do Indicador de Qualidade de Imagem (IQI), de contraste do tipo arame colocados no metal base e na região da solda, comparando os resultados com as exigências e os valores propostos das normas envolvidas. 29 � Medidas e avaliação dos valores da relação sinal ruído normalizada, SNRN (Signal Noise Ratio Normalized) das imagens digitais obtidas com vários tempos de integração, em relação às exigências das normas envolvidas. � Obtenção das imagens digitais e radiografias convencionais dos mesmos corpos-de-prova com defeitos críticos, para comparar a sensibilidade da detecção de cada uma das técnicas, nas 6 espessuras de metal base, a saber, 4,9; 6,4; 9,7; 19,2; 25,3 e 32,3 mm e com os respectivos valores correspondentes a espessura total que incluem as alturas dos reforços de solda. � Análise e discussão dos resultados comparando com as exigências das normas, os valores que estão sendo prospostos para a norma ISO/DIS 10893-7 e especificações aplicáveis para redação desta tese de doutorado. � Comparação dos tempos de exposição na técnica convencional e os tempos de integração na técnica digital, visando verificar os ganhos de produtividade. � Comparação dos valores das exposições relativas aplicadas na técnica convencional e digital, visando comparar melhorias relativas a radioproteção dos operadores e inspetores envolvidos. 30 Capítulo 3 Revisão Bibliográfica 3.1 Introdução A primeira imagem digital está completando 50 anos, abrindo o caminho para as imagens de satélites, scanners, código de barras, etc. A imagem granulada de um bebê, de apenas 5x5 centímetros, Figura 3.1, 176 pixels, foi feita por Russell Kirsch, no National Bureau of Standards (NBS), agora conhecido por National Institute of Standards and Technology (NIST). Figura 3.1 – Primeira imagem digital – 176 pixels (KIRSCH, 1957) A tecnologia da imagem digital, utilizada atualmente pela radiografia digital, é devida, principalmente, ao crescimento da memória e da velocidade dos sistemas computadorizados. Nos anos de 1980, imagem de 512 x 512 pixels com 8 bits (256 Kilobites) era considerada muito grande e trazia problemas de armazenamento e para os monitores daquela época. Agora no século XXI, arquivos de imagens de 1500 x 2000 com 16 bits de dados (6 MB) são muito comuns, e podem ser transmitidos, armazenados e mostrados por sistemas de computadores com preço relativamente baixos (BOSSI et. al.; 2002). Atualmente a maior imagem digital do mundo foi criada pela empresa canadense Aperio, que criou uma fotografia digital com a qualidade de um Terapixel, ou seja, com um trilhão de pixels. O arquivo de imagem tem 143 GB e tem o formato BigTIFF, inventado para a utilização em análises de exames médicos (TERRA,2007). 31 A radiografia digital encontra-se disponível para os dentistas há 25 anos, porém as clínicas não têm substituído a técnica convencional devido aos custos envolvidos. Na medida em que as clínicas dentárias estão conhecendo os benefícios, este cenário pode ser alterado. Os dentistas podem melhorar a imagem para a sua interpretação e, além disto, podem corrigí-las se foram pouco expostas ou muito expostas, pela melhoria do contraste e do brilho ou de diagnósticos específicos, tais como cáries, implantes, etc. Na Figura 3.2 estão representados dois exemplos de ferramenta de medida que auxilia o dentista no diagnóstico de um tratamento de canal (a) e radiografia digital panorâmica dos dentes (b) (VAN DER STELT, 2008). Figura 3.2 – Radiografia digital (a) Diagnóstico de tratamento de canal. (b) Panorâmica da boca (VAN DER STELT, 2008). Todos os sistemas para radiografia digital foram desenvolvidos como sistemas médicos e hoje está efetivo e considerado um método eficiente para imagens radiográficas. Os modernos detectores de raios X médicos mostram a imagem diretamente no computador. Isto facilita o acesso às imagens arquivadas, que podem ser visualizadas no monitor e, simultaneamente, melhoradas por algoritmos de processamentos inteligentes. Há também a redução da dose recebida pelo paciente. Por estas razões os detectores digitais têm substituído, nos últimos anos, os filmes e agregado técnicas radiológicas nas aplicações médicas. A radiografia industrial tem se beneficiado deste progresso e as soluções médicas têm sido transferidas e adaptadas às necessidades das aplicações dos ensaios não destrutivos (VAN DER STELT, 2008). A radiografia digital computadorizada teve sua primeira aplicação em 1975, quando George Luckey desenvolveu a placa flexível de fósforo para armazenamento de imagem na Eastman Kodak Company. No mesmo ano, foi patenteado o primeiro (a) (b) 32 sistema de fósforo de armazenamento escaneado, dando origem à moderna radiografia computadorizada. No entanto, só em 1983 foi comercializado o primeiro sistema que empregava a tecnologia de fósforo de armazenamento (MANGO; 2004, ALLEN, DRAKE; 2005). 3.2 O olho humano. Na Figura 3.3 é representada uma secção do olho humano. O olho é aproximadamente uma esfera, com o diâmetro em média de 20 mm. Três membranas envolvem os olhos: a córnea e esclera capa externa, coróide e retina. A córnea é uma pele dura e transparente que cobre a superfície anterior do olho. A continuação da córnea, a esclera é uma membrana opaca que envolve o restante do globo óptico. A coróide é uma membrana que fica diretamente abaixo da esclera e contém os vasos sanguíneos que servem como a maior fonte de nutrição do olho (GONZALEZ, WOODS, 2002). A membrana mais interna do olho é a retina, a qual fica no interior da parede posterior. Quando o olho é focado, a luz do objeto fora do olho é criada como imagem na retina. A visão é conferida pela distribuição da luz sobre os receptores situados na superfície da retina. Existem duas classes de receptores: cones e bastonetes. Cada olho tem entre 6 e 7 milhões. Eles estão localizados principalmente na parte central da retina, chamada fóvea, e são altamente sensíveis à cor. Seres humanos podem resolver detalhes finos com esses cones em grande medida porque cada um está conectado ao seu próprio nervo. Músculos controlando a rotação das bolas dos olhos giram o olho até que a imagem de um objeto de interesse recaia na fóvea. A visão do cone é chamada de visão fotópica ou luz brilhante. O número de cones é muito maior: alguns 75 a 150 milhões são distribuídos sobre a superfície da retina. A grande área de distribuição e o fato de que vários cones estão conectados a um nervo final simples reduz a quantidade de detalhes discerníveis por estes receptores. 33 Bastonetes servem para dar, em geral, a imagem do campo de visão. Eles não estão envolvidos na visão de cor e são sensíveis a baixos níveis de iluminação. Por exemplo, objetos que aparecem bem coloridos na luz do dia, quando vistos a noite aparecem incolores, porque apenas os bastonetes são estimulados. Figura 3.3 - Diagrama simplificado da seção do olho humano (GONZALEZ, WOODS, 2002). A Figura 3.4 mostra a densidade de bastonetes e cones para uma seção transversal do olho direito que atravessam a região de emergência do nervo óptico do olho. A ausência de receptores nesta área resulta no chamado ponto cego. Exceto para esta região, a distribuição dos receptores é radialmente simétrica sobre a fóvea. A densidade do receptor é medida em graus, a partir da fóvea (isto é, em graus fora do eixo, conforme medido pelo ângulo formado pelo eixo visual e uma linha que passa através do centro da lente e interseção da retina) (GONZALEZ, WOODS, 2002). Figura 3.4 – Ângulo de visão versus número de bastonetes e cones (GONZALEZ, WOODS, 2002). 34 É observado na Figura 3.4 que cones são mais densos no centro da retina (na área central da Fóvea). Observa-se também que a densidade de bastonetes aumenta até o ângulo de 20° fora do eixo visual e, em seguida, começa a diminuir até a extremidade da periferia da retina. 3.2.1 Formação da imagem no olho A principal diferença entre a lente do olho e uma lente óptica é que o foco é flexível. Conforme ilustrado na Figura 3.5, o raio de curvatura da superfície anterior da lente é maior que o raio da sua superfície posterior. A forma da lente é controlada pela tensão nas fibras do corpo ciliar. Para focar em objetos distantes, os músculos controlam a lente para ter uma forma relativamente plana. Da mesma forma, estes músculos controlam a lente para se tornar mais espessa, para focar em objetos perto do olho. A distância entre o centro da lente e a retina (chamada de distância focal) varia de 14 mm a 17 mm, e com este poder de refração as lentes aumentam do mínimo ao máximo. Figura 3.5 - Representação gráfica, olho vendo palmeira. Ponto C é o centro da lente ótica (GONZALEZ, WOODS, 2002). A imagem da retina reflete inicialmente na área da fóvea e há excitação dos receptores de luz, que transforma a energia radiante em impulsos elétricos que são decodificados pelo cérebro (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.2.2 Adaptação ao brilho e discriminação Devido às imagens digitais serem exibidas como um conjunto distinto de intensidades, a capacidade do olho de discriminar entre níveis de intensidades diferentes é uma consideração importante na apresentação dos resultados do 35 processamento de imagem. A faixa de níveis de intensidade da luz que o sistema visual humano pode se adaptar é enorme, da ordem de 1010, do limite do escuro (penumbra) ao limite do claro. Dados experimentais indicam que o brilho subjetivo, ou seja, a percepção da intensidade pelo sistema visual humano, é uma função logarítmica da intensidade da luz incidente sobre o olho (GONZALES, WOODS; 2002). Na Figura 3.6 a curva da intensidade da luz versus o brilho subjetivo ilustra esta característica. Figura 3.6 - Curva da intensidade da luz versus o brilho subjetivo do olho humano (WOODS; 2002). A curva sólida longa representa a faixa de intensidades o qual o sistema visual consegue se adaptar. Na visão fotópica (percepção visual com alta intensidade de luz) por si só, o intervalo é de 106. A transição da escotópica (percepção visual com baixa intensidade de luz) para a visão fotópica é gradual ao longo do intervalo aproximado de 0,001 a 0,1 mililambert (–3 a – 1 mL na escala logarítmica), como as ramificações dupla da curva de adaptação neste intervalo mostrado. O ponto essencial na interpretação do intervalo dinâmico, representado na Fig. 3.6, é que o sistema visual não pode operar no tal intervalo simultaneamente. Em vez disso, ele realiza esta grande variação por alterações na sua sensibilidade geral, através de um fenômeno conhecido como adaptação ao brilho. O intervalo completo de níveis de intensidade distintos, que o olho pode perceber simultaneamente é pequeno quando comparado com o intervalo 36 de adaptação total. Para qualquer dado conjunto de condições, o nível atual de sensibilidade do sistema visual é chamado de nível de adaptação ao brilho, que pode corresponder, por exemplo, a luminosidade no ponto Ba da Figura 3.6 (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.2.3 Fenômenos visuais. Dois fenômenos demonstram claramente que o brilho aparente não é função só da intensidade. O primeiro é que o sistema visual tende a subestimar ou superestimar a intensidade perto do limite entre as regiões de diferentes intensidades. Na Figura 3.7 é representado um exemplo deste fenômeno. Embora a intensidade real da escala seja constante, a intensidade percebida é aumentada, especialmente perto desta região. Este é chamado de “Bandas de Mach”, pois foi Ernst Mach que descreveu este fenômeno em 1865 (PRATT; 2001). Figura 3.7 - Fenômeno Bandas de Mach (PRATT; 2001). O segundo fenômeno, chamado de contraste simultâneo, está relacionado com o fato de que uma região com certo brilho não depende simplesmente de sua intensidade, como é demonstrado na Figura 3.8. Todos os quadrados do centro têm exatamente a mesma intensidade, no entanto, aparentam se tornar mais escuros quando a intensidade do quadrado do fundo se torna mais claro (PRATT; 2001). 37 Figura 3.8 - Fenômeno de contraste simultâneo (PRATT; 2001). Outros exemplos de fenômenos da percepção humana são as ilusões de ótica, nas quais os olhos preenchem informações inexistentes. Alguns exemplos são mostrados na Figura 3.9. Na Figura 3.9a, o contorno de um quadrado é visto claramente, apesar de não existirem as linhas que representam as arestas. O mesmo efeito ocorre com um círculo, que pode ser visto na Figura 3.9b. Observa-se que apenas algumas linhas são suficientes para dar a ilusão de um círculo completo. Os dois segmentos de linha horizontais na Figura 3.9c são do mesmo comprimento, mas o superior aparenta ser mais curto que o inferior. Finalmente, todas as linhas na Figura 3.9d são orientadas a 45° sendo equidistantes e paralelas. Há um efeito de ilusão, em função dos traços na vertical e horizontal, de que essas linhas não são paralelas. Ilusões de ótica são características do sistema visual humano que não são totalmente compreendidas (GONZALEZ, WOODS; 2002). Figura 3.9 - Algumas ilusões de óticas bem conhecidas (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.3 Imagem Digital Uma imagem digital, por outro lado, é composta de um conjunto de células que são ordenadas em linhas e colunas, onde cada célula é caracterizada por três números: a coordenada x, a coordenada y e o valor de cinza. O valor de cinza é um número que (a) (b) (c) (d) 38 corresponde com a intensidade dos raios X recebida naquele local durante a exposição do sensor. Uma célula individual é chamada de "elemento de imagem", que foi reduzida para "pixel". A palavra pixel baseia-se, em inglês, numa contração do pix ("imagem") e el (para "elemento"). Os números que descrevem cada pixel são armazenados no arquivo da imagem. Na Figura 3.10 (a) até (d) pode ser observada, a imagem radiológica como obtida depois que o feixe de raios X passou através de um objeto (a) e a imagem sobreposta esquematicamente à grade de pixels (b). Em (c) é mostrada a representação numérica dos valores de cada pixel correspondente aos níveis de cinza, devido as intensidades de raios X recebidas em cada posição, e em (d) a imagem digital que é mostrada na tela do computador, onde cada pixel do sensor corresponde a um pixel na tela do monitor. Figura 3.10 - Conceito de uma imagem digital (VAN DER STELT, 2008). A imagem digital é armazenada através de dígitos binários denominados bits, que podem assumir os valores 0 ou 1. A um conjunto de bits chama-se de byte. Os bits e bytes são usados para representar os pixels da imagem digital. Diferentes configurações de bytes representam as diversas tonalidades de grau de cinza nos pixels. A Figura 3.11 mostra a relação entre as configurações de bytes, valores de pixel e tonalidades de cinza. Figura 3.11 – Comportamento entre os valores de pixel e os tons de cinza (OLIVEIRA, 2007). 39 3.3.1 Resolução espacial e nível de cinza Amostragem é o principal fator que determina a resolução espacial de uma imagem. Basicamente, resolução espacial é o menor detalhe perceptível em uma imagem. Suponha que será construído um gráfico com linhas verticais na largura W, com o espaçamento entre pares de linhas também com largura W. Um par de linhas consiste de uma linha e o seu espaço adjacente. Assim por definição, a largura de um par de linhas é de 2W e existem 1/2W pares de linhas por unidade de distância. Uma definição amplamente usada é simplesmente “o menor número de pares de linhas discerníveis por unidade de distância, por exemplo, 100 pares de linhas por milímetro. A resolução de níveis de cinza, da mesma forma, se refere à menor alteração perceptível no nível de cinza. Porém, como foi citado anteriormente, discernir alterações dos níveis de cinza é um processo de medição subjetivo. Deve-se considerar o número de amostras utilizadas para gerar uma imagem digital, mas isso não é verdade para o número de níveis de cinza. O número de níveis de cinza é normalmente um número inteiro na potência de 2. O número mais comum é 3 (8 bits, 23) e o 4 (16 bits, 24), que são usados em algumas aplicações, onde é necessária a melhoria de intervalos específicos de níveis de cinza. Quando uma medida real da resolução física informando pixels e o nível de detalhes resolvidos é exigido, deve-se referir a um nível “L” de imagem digital com M x N de tamanho. Assim, todas as vezes que necessitar uma referência real do detalhe a ser resolvido deverá ser utilizado a terminologia correta para esclarecer (GONZALEZ, WOODS; 2002). Na Figura 3.12 é representada uma imagem de tamanho de 1024x1024 pixels, cujos níveis de cinza são representados por 8 bits, sendo que as outras imagens mostradas são os resultados da diminuição da resolução da imagem de 1024x1024. 40 Figura 3.12 - Uma imagem de 1024 x 1024, de 8 bits reduzida para o tamanho de 32 x 32 pixels. O número de níveis de cinza foi mantido a 256 (GONZALEZ, WOODS; 2002). A diminuição da resolução foi realizada, excluindo o número de linhas e colunas da imagem original. Por exemplo, a imagem de 512 x 512 foi obtida pela exclusão de todas as outras linhas e colunas da imagem de 1024 x 1024. A imagem de 256 x 256 foi gerada pela exclusão de todas as outras linhas e colunas da imagem de 512 x 512 e assim por diante. O número de níveis de cinza foi mantido a 256. Estas imagens mostram as proporções dimensionais entre diferentes densidades de amostragem, mas suas diferenças de tamanho dificultam a ver os efeitos resultantes de uma redução do número de amostras (GONZALEZ, WOODS; 2002). A forma mais fácil de comparar esses efeitos é trazer todas as imagens que foram reduzidas até ao tamanho de 1024 x 1024 por duplicação de pixel das linhas e colunas. Os resultados são mostrados na Figura 3.13(b) até (f). A Figura 3.13(a) é a mesma imagem 1024 x 1024, com 256 níveis de cinza, como demonstrado na Figura 3.12. Ela é repetida para facilitar comparações. Comparando a imagem de 1024x1024, Figura 3.13(a), com a imagem de 512 x 512, na Figura 3.13(b), observa-se que não são observadas diferenças destas imagens lado a lado. O nível de detalhe perdido é pequeno para ser percebido na página impressa, com a escala a qual estas imagens estão sendo mostradas. 41 Figura 3.13 (a) Imagem de 1024 x 1024, 8 bits. (b) Imagem de 512 x 512 redefinida para 1024 x 1024 pixels por duplicação de linha e coluna. (c) até (f) Imagens redefinidas de 32 x 32, 64 x 64, 128 x 128 e 256 x 256 para 1024 x 1024 pixels (GONZALEZ, WOODS; 2002). Em seguida, a imagem de 256 x 256, na Figura 3.13(c), mostra um quadriculado muito pequeno nas bordas entre as pétalas de flores e o plano de fundo preto e começa a aparecer uma granulação ligeiramente mais pronunciada por toda a imagem. Estes efeitos são muito mais visíveis na imagem de 128 x 128, na Figura 3.13(d), e eles tornam-se pronunciados nas imagens 64 x 64 e 32 x 32, nas Figuras 3.13(e) e (f), respectivamente. A Figura 3.14(a) é de uma imagem de projeção da tomografia 452 x 374, exibido com k = 8 (256 níveis de cinza), obtida por meio da fixação da fonte de raios X em uma posição e, assim, produzindo uma imagem 2-D em qualquer direção desejada (GONZALEZ, WOODS; 2002). Podem-se observar efeitos típicos da variação do número de níveis de cinza em uma imagem digital. Neste exemplo, foi mantido o número de amostras constante e reduzido o número de níveis de cinza de 256 para 2, em potências de 2. (a) (b) (c) (d) (e) (f) 42 Figura 3.14 (a) 452 x 374, imagem com 256 níveis de cinza. (b) a (d) imagem exibida com 128, 64 e 32 níveis de cinza, mantendo constante a resolução espacial. (e) a (g) imagens exibidas com 16, 8, 4 e 2 níveis de cinza (GONZALEZ, WOODS; 2002). As Figuras 3.14(b) até (h) foram obtidas pela redução do número de bits de k = 7 para k = 1, mantendo a resolução espacial constante em 452 x 374 pixels. As imagens com níveis de cinza de 256, 128 e 64 são visualmente idênticas. A imagem com 32 níveis de cinza mostrada na Figura 3.14(d), no entanto, tem um conjunto quase que imperceptível de estrutura muito fina com áreas claras de níveis de cinza (particularmente do crânio). Este efeito, causados pela utilização de um número insuficiente de níveis de cinza em áreas suaves de uma imagem digital, é chamado de falso contorno. Falso contorno geralmente é bem visível nas imagens exibidas usando 16 ou menos níveis de cinza. As imagens são mostradas nas Figuras 3.14(e) até (h) (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.3.2 Amostragem e quantificação de imagens A saída da maioria dos sensores é uma tensão com forma de onda contínua, cuja amplitude e o comportamento espacial estão relacionados com o fenômeno físico que está sendo detectado. Para criar uma imagem digital, é necessário converter para a forma digital os dados que são continuamente detectados, e isto envolve dois (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) 43 processos: amostragem e quantificação. Uma imagem pode ser contínua com respeito às coordenadas x e y e também em amplitude. Para convertê-la em forma digital, deve- se amostrar as duas coordenadas e a amplitude. Digitalizar os valores das coordenadas é chamado de amostragem e os valores da amplitude de quantificação (GONZALEZ, WOODS; 2002). Na Figura 3.15b podem ser observadas as amplitudes dos valores dos níveis de cinza da imagem contínua ao longo da linha AB, da Figura 3.15a. Notar o ruído da imagem que é causado pelas variações aleatórias. Para exemplificar, pode-se colher amostras igualmente espaçadas ao longo da linha AB, como mostrado na Figura 3.15c, e que está marcado com pequenos quadrados brancos sobrepostos a curva e indicando o local onde foi tomada a amostra. Figura 3.15 – Gerar uma imagem digital. (a) Imagem (b) Imagem continua. (c) Amostragem. (d) Quantificação. (GONZALEZ, WOODS; 2002). Os valores das amostragens, quantificações são convertidos em níveis de cinza utilizando a escala vertical mostrada do lado direito da Figura 3.15c, que possui 8 níveis (3 bits), e que variam de preto até branco. As amostragens e as quantificações digitais resultantes deste procedimento, linha por linha, produzem uma imagem digital (a) (b) (c) (d) 44 bidimensional, e são mostradas na Figura 3.15d. É assumido que a imagem é contínua nos dois sentidos das coordenadas e com relação à amplitude. Na prática, a amostragem é determinada pelo sensor utilizado para gerar a imagem e a exatidão de seu movimento mecânico. Quando uma matriz de sensores é utilizada, não há nenhum movimento e o número de sensores da matriz estabelece os limites de amostragem em ambas as direções (GONZALEZ, WOODS; 2002). A quantificação feita pelos sensores é da mesma maneira que a citada anteriormente. Na Figura 3.16 é ilustrado esse conceito. Na Figura 3.16(a) é representada uma imagem contínua projetada do plano de uma matriz de sensores e na Figura 3.16(b) é mostrada a imagem após a coleta das amostras e da quantificação. Neste caso, a qualidade da imagem digital é determinada pela quantidade de amostras (dimensões dos sensores) e dos níveis de cinza disponíveis. Figura 3.16 - (a) Imagem continua projetada em uma matriz de sensores (b) Resultado da amostragem e quantificação da imagem (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.3.3 Tipos de sensores utilizados para aquisição de imagens. As imagens de interesse para este trabalho são geradas pela combinação de uma fonte de "iluminação", e a reflexão ou absorção da energia a partir dessa fonte pelos elementos da "cena" sendo visualisada. Nota-se que foram colocadas as palavras iluminação e cena entre aspas para enfatizar que são situações gerais onde uma fonte (a) (b) 45 de luz visível ilumina uma cena tridimensional (3-D) comum. Por exemplo, a iluminação pode ser originária de uma fonte de raios X e os elementos da cena podem ser peças, corpos humanos ou mesmo bagagens. Dependendo da natureza da fonte a energia de “iluminação” é refletida ou transmitida através dos objetos (GONZALEZ, WOODS; 2002). Na Figura 3.17 são apresentadas as três principais modalidades de sensores utilizadas para transformar energia de iluminação em images. 3.3.3.1 Aquisição de imagem usando um sensor simples. Na Figura 3.17a é mostrado um componente com um único sensor. O tipo mais conhecido é o fotodíodo, que é construído com materiais de silício e cuja tensão de saída é proporcional à intensidade de luz. Figura 3.17 - (a) Sensor único de imagem. (b) Linha de sensores. (c) Matriz de sensores. (GONZALEZ, WOODS; 2002). A fim de gerar uma imagem 2-D usando um sensor, deve-se criar deslocamentos relativos em ambas as direções x e y entre o sensor e a área que será criada a imagem. 46 Na Figura 3.18 é mostrado um arranjo, onde um filme é montado em um tambor cuja rotação mecânica fornece deslocamento em uma dimensão e o sensor é montado em uma haste que tem o movimento na direção perpendicular. Uma vez que o movimento mecânico possa ser controlado com alta precisão, este método é uma maneira de baixo custo (mas lenta) para obter imagens de alta resolução. Outro arranjo mecânico similar usa um filme plano, com o sensor movimentando nas duas direções lineares. Figura 3.18 - Combinação de um sensor simples com movimento para gerar imagem em 2-D (GONZALEZ, WOODS; 2002). 3.3.3.2 Aquisição de imagem usando régua de sensores. Sensores são colocados em linha em uma régua, como mostrado na Figura 3.17b. Esta régua fornece elementos de processamento de imagens em uma direção e o movimento perpendicular à fita fornece imagens na outra direção, como apresentado na Figura 3.19a. Este é o tipo de arranjo utilizado na maioria dos scanners (GONZALEZ, WOODS; 2002). Réguas de detecção com 4000 ou mais sensores em linha são possíveis. As réguas de sensores são utilizadas na aquisição de imagens aéreas, onde o sistema é montado em uma aeronave que voa com altitude e velocidade constante sobre a área a ser criada a imagem, e em grandes sistemas, para inspeção de containers ou caminhões, para comprovação do tipo de carga informada. 47 Figura 3.19 - Aquisição de imagem usando (a) Régua de sensores. (b) Régua circular de sensores. (GONZALEZ, WOODS; 2002). Uma régua de sensores montada como um anel é utilizada na medicina e na indústria para obter imagens em 3-D da secção transversal ("fatia") dos objetos, como é mostrado na Figura 3.19b. Uma fonte de raios X girando fornece “iluminação” e os sensores opostos à fonte, recolhem a energia dos raios X que passam através do objeto. Esta é a base para a tomografia médica e industrial computadorizada. É importante observar que o sinal de saída dos sensores deve ser processado com complexos algoritmos de reconstrução, cujo objetivo é transformar os dados em imagens transversais. 3.3.3.3 Aquisição de imagem usando uma matriz de sensores. Na Figura 3.17c são mostrados sensores individuais organizados na forma de uma matriz 2-D. Muitos equipamentos eletromagnéticos e alguns de ultrassom, além das cameras digitais, utilizam o formato de matriz de sensores. Outra aplicação são as que utilizam DDA (DDA, Detectores Digitais Array) que são aplicados na radiografia digital direta, que estão sendo utilizadas na medicina, odontologia e está iniciando nos ensaios não destrutivos industriais (GONZALEZ, WOODS; 2002). A resposta de cada sensor é proporcional a integral da energia luminosa projetada na superfície do sensor. O modo principal no qual a matriz de sensores é usada é mostrado na Figura 3.20. 48 Figura 3.20 – Exemplo do processo de aquisição de uma imagem digital. (a) Elemento da cena com fonte de luz. (b) Sistema de imagem. (c) Plano de imagem. (d) Imagem digitalizada. (GONZALEZ, WOODS; 2002). Na Figura 3.20 é mostrada a energia de uma fonte de iluminação refletida em um elemento da cena (a), sendo que a primeira operação executada pelo sistema de processamento é a aquisição da energia pela matriz de sensores (b), que projeta a cena exibida até o plano da imagem (c) e na seqüência se obtem a saída da imagem digitalizada (d). 3.4 Aparelhos de Raios X. Equipamentos de raios X industriais se dividem basicamente em dois componentes: o painel de comando e a ampola (ABENDI, 2005). No painel de comando estão os controles, indicadores, chaves de segurança e medidores, além de conter todo o equipamento do circuito gerador de alta voltagem. É por meio do painel de controle que se fazem os ajustes de voltagem, amperagem, e tempo de exposição, além de comando de acionamento do aparelho. A ampola é responsável pela emissão dos raios X e é composta de um envólucro de vidro que é dividido basicamente em duas partes: o ânodo e o cátodo. No cátodo há um filamento por onde passa uma corrente da ordem de miliamperes. Entre o ânodo e (a) (b) (c) (d) 49 cátodo é gerada alta-tensão (milhares de volts). Assim, os elétrons liberados no filamento quando aquecido, irão ser incidir na placa, denominada alvo, gerando calor e os raios X. De uma forma simplista, pode-se dizer que a kilovoltagem aplicada em uma ampola é responsável pela capacidade de penetração nos materiais, enquanto que a amperagem é responsável pela quantidade de elétrons gerados e, assim são diretamente proporcionais ao tempo de exposição. Na Figura 3.21 é apresentado um tipo de ampola de raios X que é comumente utilizada no ensaio radiográfico (TAUHATA et al., 2003). Figura 3.21 – Fonte de raios X (TAUHATA et al., 2003). O efeito de Bremsstrahlung ocorre quando um elétron acelerado tem a sua trajetória repentinamente frenada pelo alvo de tungstênio, enquanto fótons de várias energias são gerados, formando um espectro contínuo de Bremsstrahlung, conforme mostrado na Figura 3.22. Embora a probabilidade de ocorrência de emissão de fótons de Raios-X por desaceleração brusca seja pequena, esta ainda é a maior fonte de geração de fótons de raios-X em relação a outros fenômenos, e portanto é a mais utilizada. 50 Figura 3.22 – Espectro típico dos Raios X (CZICHOS; SAITO; SMITH, 2006). Um item muito importante para a obtenção de uma boa qualidade de imagem é o tamanho focal, pois quanto menor esta dimensão maior será a definição ou nitidez da imagem. Na Figura 3.23 pode-se observar um esquema de um dos métodos para determinação das dimensões da área focal (KODAK, 1980). Figura 3.23 – (a) Método para determinação da área focal. (b) Imagem do ponto focal/filamento. 3.5 Forma de interação da radiação com a matéria Os raios X emitidos, ao passarem pela peça que está sendo radiografada interagem com qualquer material e sofrem variação na sua intensidade, devido basicamente a alguns fenômenos físicos que ocorrem simultaneamente. Os principais (a) (b) 51 fenômenos de interação da radiação com a matéria são denominados Efeito Fotoelétrico, Efeito Compton e Produção de Pares (TAUHATA et al.; 2003). 3.5.1 Efeito Fotoelétrico O efeito fotoelétrico (ou absorção) é caracterizado pela transferência total da energia da radiação X (fóton) que chega a um único elétron orbital, que é expelido com uma energia cinética, Ec. A representação do efeito Fotoelétrico é mostrada esquematicamente na Figura 3.24 (TAUHATA et al.; 2003). Figura 3.24 – Efeito Fotoelétrico (TAUHATA et al.; 2003). A direção de saída do fotoelétron em relação à de incidência do fóton varia com a energia. Para altas energias (acima de 3 MeV), a probabilidade do elétron sair na direção e sentido do fóton é alta. Para baixas energias (abaixo de 20 keV) a maior probabilidade é a de sair com um ângulo de 70º. O efeito fotoelétrico é predominante para baixas energias e para elementos químicos de elevado número atômicos Z. A probabilidade de ocorrência aumenta com Z4 e decresce rapidamente com o aumento da energia. 3.5.2 Efeito Compton No efeito Compton (espalhamento ou difusão), o fóton é espalhado por um elétron de baixa energia de ligação, que recebe somente parte de sua energia, continuando sua trajetória dentro do material, em outra direção. Como a transferência de energia depende 52 da direção do elétron incidente e neste caso é aleatória. Assim um fóton incidente, com uma energia fixa, pode resultar em elétrons com valores de energia desde zero até um valor máximo. Sua distribuição no espectro de contagem é aleatória, aproximadamente retangular. A representação do efeito Compton é mostrada esquematicamente na Figura 3.25. Figura 3.25 – Efeito Compton (TAUHATA et al.; 2003). Quando a energia de ligação dos elétrons orbitais se torna desprezível face à energia do fóton incidente, a probabilidade de ocorrência de espalhamento Compton aumenta consideravelmente. 3.5.3 Formação de Pares Uma das formas predominantes de absorção da radiação eletromagnética de alta energia é a produção de um par elétron-pósitron. Este efeito ocorre quando fótons de energia igual ou superior a 1 MeV passam perto de núcleos de número atômico elevado, interagindo com o forte campo elétrico nuclear. Nesta interação, a radiação desaparece e dá origem a um par elétron-pósitron. As duas partículas transferem a sua energia cinética para o meio material, sendo que o pósitron volta a se combinar com um elétron do meio e dá origem a 2 fótons, cada um com energia de aproximadamente 0,5 MeV. A representação do efeito de formação de pares é apresentada esquematicamente na Figura 3.26. 53 Figura 3.26 – Formação de pares (TAUHATA et al.; 2003). As interações fotoelétricas predominam para todos os materiais em energias de fótons suficientemente baixas. À medida que a energia cresce, o efeito fotoelétrico permanece predominante apenas para elementos de elevado número atômico. Já para elementos com baixos valores de Z, o efeito Compton torna-se predominante. Em energias a partir de 1 MeV, a produção de pares passa a contribuir nas interações dos fótons (CZICHOS; SAITO; SMITH, 2006). Para que se possa entender qual processo é prediminante de acordo com a energia utilizada e o material sendo testado, na Figura 3.27 é mostrada a variação da participação de cada um desses processos para cada valor de Z e a energia dos fótons incidentes. Figura 3.27 – Importância relativa dos processos (CZICHOS; SAITO; SMITH, 2006). 54 3.6 Inspeção de juntas soldadas As normas e especificações de fabricação de tubos para oleodutos e gasodutos, que são largamente aplicadas mundialmente, são a API 5L, a ISO 3183, a DNV-OS- F101 e no caso da norma ISO/DIS 10893-7 que está desenvolvimento é a primeira que aborda a inspeção radiografica digital. Assim, especial atenção deve ser dada para a norma ISO/DIS 10893-7, Non-destructive testing of steel tubes – Digital radiographic testing of the weld seam of welded steel tubes for the detection of imperfections, pois esta propoe as exigências mínimas para a aplicação da radiografia digital em soldas de tubos de aço soldados no segmento de petroleo e petroquímico. Esta norma está sendo proposta estabelecendo parâmetros que utiliza as melhores práticas para aplicação da técnica digital, e nesta tese com a realização de testes práticos podem contribuir na definição de critérios e na discussão desta. Esta proposta de norma foi a principal referencia utilizada nesta tese, juntamente com as demais normas. Outras normas são referenciadas durante o uso das normas citadas tais como a ISO 12096, ISO/DIS 10893-6, ISO 19232-1, ISO 19232-5 (ISO 12096, 1996; ISO/DIS 10893-6, 2009; ISO 19232-1, 2004; ISO 19232-5, 2004). 3.6.1 Aparência das descontinuidades As descontinuidades são quaisquer variações na homogeneidade de uma peça ou material, tanto em sua estrutura como em sua forma. Por meio da análise da influência que a descontinuidade terá sobre a utilização do equipamento podem ser definidos critérios de aceitação. As descontinuidades podem ser atribuídas a diferentes causas, podendo ocorrer durante o próprio processo de fabricação do material, durante o processamento ou durante o uso de equipamento (ABENDI, 2005). As descontinuidades internas em juntas soldadas mais comuns são (N-1738, 2003): Porosidade Durante a fusão da solda, pode haver o aprisionamento de gases devido a várias razões como: o tipo de eletrodo utilizado, má regulagem do arco, deficiência na técnica do operador, umidade etc. As porosidades podem ter a forma esférica ou cilíndrica, 55 porém algumas destas assumem uma forma alongada, cilíndrica e sua imagem radiográfica vai depender de uma orientação em relação ao feixe de radiação incidente. Outra forma típica é aquela que tem a aparência de um galho ramificado, chamada, também, de porosidade vermiforme. Inclusões de escória Ocorrem devido ao aprisionamento de escória ou materiais estranhos durante o processo de soldagem. Elas se apresentam com mais freqüência em soldas de passes múltiplos, principalmente quando a limpeza não é bem efetuada entre passes. Falta de penetração É considerada falta de penetração a falta de material depositado na raiz da solda, devido ao material depositado não ter chegado até a raiz. No caso de não haver passe de raiz (selagem), a falta de penetração pode ficar aparente. A aparência radiográfica, em ambos os casos, é uma linha escura, intermitente ou contínua, no centro do cordão. Trincas As trincas são descontinuidades produzidas por rupturas no metal como resultado de tensões produzidas durante a soldagem, sendo mais visível na radiografia, quando o feixe de radiação incide sobre a peça em uma direção sensivelmente paralela ao plano que contém a trinca. A trinca produz uma imagem radiográfica na forma de uma linha escura com direção irregular. A largura desta linha dependerá da largura da trinca. Se a direção do plano que contém a trinca coincidir com o feixe de radiação, sua imagem será escura, e se a direção do plano não for como mencionado ela perderá densidade, podendo não aparecer. Devido ao fato da trinca ser considerada como o mais grave defeito de uma solda, deve-se ter uma atenção especial para a sua detecção. Falta de fusão Descontinuidades são geradas devido a falta de fusão entre o metal depositado e o metal base. A falta de fusão só é bem caracterizada em uma radiografia quando a direção do feixe incidente coincide com o plano do defeito. A imagem radiográfica da 56 falta de fusão é uma linha escura, estreita, paralela ao eixo da solda, em um ou em ambos os lados. 3.6.2 Imagens radiográficas Nas Figuras 3.28(a) a (j) podem-se observar imagens radiográficas, utilizando a técnica convencional, obtidas de juntas soldadas e as descontinuidades são: mordedura, desalinhamento, falta de penetração, falta de fusão, trincas e porosidades. (GEIT, 2004). (a) Mordedura (b) Desalinhamento com falta de penetração (c) Mordedura interna (d) Concavidade interna (e) Falta de penetração (f) Inclusão de escória entre passes (g) Escória alongada (h) Falta de fusão (i) Porosidade agrupada (j) Trinca longitudinal Figura 3.28 – Imagem radiográfica de defeitos típicos em soldas (GEIT, 2004). 57 3.6.3 Técnicas de exposição Existem várias técnicas de exposição para a execução do ensaio radiográfico para juntas soldadas, a técnica de parede simples - vista simples (PS-VS), onde o feixe de radiação atravessa uma espessura da peça e a projeta no filme ou detector, pode ser chamada de exposição panorâmica para juntas circunferenciais, conforme é mostrado na Figura 3.29(a) até (d). Na técnica de parede dupla - vista simples (PD-VS) o feixe de radiação atravessa duas espessuras da peça. Entretanto, projeta no filme, somente a seção da peça que está mais próxima do mesmo. Na técnica de parede dupla-vista dupla (PD-VD) o feixe de radiação também atravessa duas espessuras. Entretanto, projeta no filme a imagem das duas seções da peça, esta técnica é normalmente utilizada para inspeção de juntas soldadas de tubos de pequeno diametro (ABENDI, 2005). Nas fábricas de tubos de grandes diametros, a técnica aplicada é a técnica de parede simples - vista simples (PS-VS), esta é a principal técnica utilizada na inspeção radiográfica, e a mais fácil de ser interpretada, conforme apresentado na Figura 3.29. Figura 3.29 - Técnica de exposição PS-VS - (a, b, c) Junta circunferencial. (d) Junta plana. (ABENDI, 2005). (d) (c)(b) (a) 58 3.7 Radiografia digital Embora uma imagem digital, que vista na tela como uma coleção das áreas mais brilhantes e mais escuras, muito se assemelha a tradicional imagem baseada em filme, a natureza de uma imagem digital é diferente. Uma imagem radiográfica convencional é composta por áreas escuras onde os grãos de prata da emulsão são áreas densamente empacotadas e por áreas claras onde os grãos são mais dispersos. As condições de exposição e o processo de desenvolvimento determinam o brilho e o contraste que são fixos nas imagens tradicionais. Nas imagens digitais alguns parâmetros podem ser corrigidos depois que tenham sido produzidos. Isso pode ser usado para corrigir uma sobreexposição ou pouca exposição de uma imagem, e assim evitar a necessidade de uma nova exposição. É possível ajustar o contraste e a densidade para melhorar o reconhecimento de áreas específicas. Assim, variando o contraste será mais fácil perceber pequenos detalhes, e um inspetor devidamente qualificado pode observar muito mais informações de um sistema digital, em relação ao analógico. Isso é feito, distribuindo os valores de cinza dos pixels mais uniformemente ao longo da escala completa de valores de cinza. Assim, com uma única imagem e única exposição, se pode-se avaliar todas as áreas da peça. Além do "processamento de imagem" outras ferramentas encontram-se disponíveis tais como a eficaz ferramenta para aumentar ou dar um close/zoom na imagem ou parte dela, com a qual o inspetor pode perceber detalhes mais facilmente. 3.7.1 Aplicações atuais da Radiografia Digital Atualmente o uso da radiografia digital tem sido adotado por diversas áreas e aplicações, que podem ser observadas na Figura 3.30 (a) e (b). Figura 3.30 – (a) Inspeção de cargas e containers. (b) Inspeção de aros de rodas. (PINCU; JEWELL, 2005). (a) (b) 59 A tecnologia digital vem sendo adaptada dia a dia e tem agregado muitas melhorias, tanto na qualidade da imagem, na rapidez dos laudos, como na redução das doses recebidas pelos pacientes, órgãos, operadores, radiologos, etc. Na Figura 3.31 são representadas mais aplicações da radiografia digital, nos mais variados segmentos. Área médica. (a) Radiografia digital da mãos. (b) RD do coração. Área Petróleo e aeroespacial – (c) Tubulações. (d) RD em juntas de gasoduto. (e) Aeronave militar. Segurança pública - (f) Granada e Imagem filtrada com filtro passa alto. (g) Mala suspeita. Figura 3.31 – Aplicações da radiografia digital (PINCU; JEWELL, 2005). (a) (b) (c) (d) (e) (g)(f) 60 3.7.2 Vantagens da radiografia digital São várias as vantagens da radiografia digital sobre radiografia com filme podendo-se destacar (FARMAN, LEVATO, GANE, SCARFE; 2008): - Exibição imediata da imagem, com os detectores planos; - Exibição interativa pelo monitor, com a possibilidade de melhorar as imagens e fazer medições diretas; - Armazenamento integrado, fornecendo acesso às imagens por meio de software de gestão de dados; - Segurança de estratégias de backup; - Arquivamento externo, ou seja, obtenção de imagens duplicadas para uso por outras estações de trabalho; - Mecanismos de segurança para identificar imagens originais e diferenciá-las das imagens alteradas; - Possibilidade de colocar comentários, identificação, parâmetros de exposição utilizados e outros; - Interoperacionalidade entre diferentes equipamentos e softwares e formatos de imagens (DICONDE); - Interação remota com outras unidades e acesso pela internet. A norma ASTM E 2339 “Standard practice for digital imaging and communication in nondestructive evaluation” (DICONDE) estabelece as regras para transferências de dados entre sistemas e organização dos dados das imagens sem perda da informação (ASTM E 2339; 2006). Várias características são atribuídas como vantagens da radiografia digital (Digital Radiography, DR) em relação à técnica convencional que utiliza filme radiográfico industrial ou mesmo quanto à radiografia computadorizada (Computed Radiography, CR)(PURSCHKE, 2004). Na Tabela 3.1 estão descritas várias vantagens do emprego da DR, onde destacam-se a velocidade, a relação sinal ruído, faixa dinâmica, custo de operação e a reutilização. 61 Tabela 3.1 – Características típicas entre Filme, CR e DR (BOIY; 2006). Outra vantagem desta metodologia é a possibilidade da integração total do ambiente com as imagens das radiografias digitais, e assim agregar melhorias da eficiência dos processos e da gestão de todas as imagens. O sistema pode ser idealizado de forma a criar uma rede local e com acesso remoto via intranet e internet (FARMAN, LEVATO, GANE, SCARFE; 2008). Um ambiente totalmente digital começa com as aquisições das imagens pelo detector plano, seguido de avaliação e arquivo pelo inspetor nível 2 das imagens das radiográfias digitais, incluindo o uso de gráficos estatísticos de controle e imagens fotográficas de irregularidades superficiais visíveis (NBR ISO 9712, 2004). O sistema permite o compartilhamento das imagens para utilização nas análises do progresso de soldagem, pesquisa e desenvolvimento, nas reuniões, palestras e conferência em qualquer parte do mundo, além de um monitoramento remoto pelo inspetor nível 3 responsável. Permite ainda que o engenheiro de solda prepare os planos para reparos e avaliações dos defeitos, além do acesso das imagens pelos inspetores do cliente, auditores, laboratórios, servindo de apoio para discussão dos especialistas. Na Figura 3.32 encontra-se esquematizado um ambiente integrado de trabalho com imagens geradas pela radiografia digital (FARMAN, LEVATO, GANE, SCARFE; 2008). 62 Figura 3.32 – Ambiente integrado de imagens digitais (FARMAN, LEVATO, GANE, SCARFE; 2008). Um dos resultados mais poderosos da tecnologia integrada é o potencial para organizar as imagens em um formato que está disponível para treinamento e capacitação de inspetores, em tempo real. Com a tecnologia digital, o engenheiro de solda pode ver as imagens e o procedimento de soldagem em qualquer local que tenha uma estação de trabalho. Isso lhe permite o acesso imediato às imagens de defeitos e, se ele estiver conectado à Internet, ele poderá compartilhar as informações, reduzindo significativamente o tempo necessário para discussão com os responsáveis pelo processo, gerentes e mesmo clientes. O tipo de ligação pode ser com ou sem fios usando transmissão de rádio frequência (RF) ou Bluetooth. O monitor deve ser de alta resolução com uma ampla capacidade de contraste de tons de cinza. 3.7.2.1 Avaliação dos custos relativos As inspeções radiográficas geralmente são realizadas por razões de qualidade e de segurança. No entanto, normalmente há motivação para controlar e até mesmo reduzir os custos de executar estas inspeções. Assim, uma das razões para considerar uma mudança da radiografia com filme para a digital é reduzir as despesas gerais. 63 Neste