A utilização de ondas guiadas em técnicas de monitoramento de integridade estrutural tem se mostrado uma alternativa interessante para economia de tempo e de custos de operação. Técnicas com ondas guiadas apresentam a característica de monitorar trechos extensos de uma estrutura a partir de um único ponto de acesso, permitindo a inspeção de partes remotas e de difícil acesso. Entre os modos fundamentais de propagação de ondas guiadas em chapas, o modo SH0 possui a vantagem de não ser dispersivo, além de sofrer menores atenuações ao se propagar em superfícies em contato com fluidos. Neste trabalho é proposto um modelo de transdutor do modo SH0 de forma omnidirecional em uma chapa de aço utilizando um arranjo com cerâmicas piezoelétricas, que permita inspecionar determinada área de um componente através de um único modo de propagação. Para caracterizar e compreender o comportamento da resposta obtida foram realizadas simulações numéricas parametrizando características do modelo proposto, como o número de elementos piezoelétricos e dimensões geométricas dos componentes do transdutor. Para validação dos resultados do modelo numérico foram construídos modelos experimentais do transdutor, os quais foram instalados sobre uma chapa de aço de 2mm de espessura para verificação dos modos de propagação emitidos. Avaliando a relação entre intensidades de cada modo emitido e a qualidade da emissão de SH0 foi possível identificar as frequências que apresentaram resposta com a característica desejada. Também foi verificado o comportamento dos transdutores construídos ao serem excitados por ondas propagando na chapa, avaliando a sua utilização também como receptores. / The use of guided waves in structural health monitoring techniques has already proved to be an interesting alternative to reduce inspection time and overall operational costs. Guided waves techniques enable monitoring large structures from one single access point, allowing the inspection of distant and hard access parts. Among the fundamental propagation modes of guided waves in plates, the SH0 mode has the advantage of being non dispersive, as well as being subject to less attenuation when propagating through surfaces in contact with fluids. In this work, it is proposed one omnidirectional SH0 mode transducer in a steel plate using a piezoelectric ceramic array, which allows inspecting a component area through a single propagation mode. Numeric simulations parameterizating features of the transducer, such as the number of piezoelectric elements and the geometric dimensions of the transducer’s components, were developed to characterize and investigate the effect on the output response. To validate the numeric simulation results, experimental models of the transducer were built, which were installed on a 2mm thick steel plate to verify the generated propagation modes. The analysis of the relation between the intensity of each mode generated in the plate and the emission quality of the SH0 mode allowed the identification of frequencies that presented the most desirable response characteristics. The behavior of the built transducers was also studied when they were excited by waves propagating through the plate, evaluating the use of the transducers as signal receptors.

In recent decades techniques related to the measurement of elastic waves have advanced significantly. It is now possible with relatively inexpensive equipment to record amplitudes and frequency bands that were unthinkable two decades ago. This has led to the development of theoretical topics which application was questionable until not long ago, to profit from new technological potential in obtaining more and better experimental information. In this context the study of the propagation of guided waves in solids is presented as a knowledge that allows to detect damage with efficiency and economy in a number of structures in which at least one dimension is much larger than the other two. This is the case for rails, tubulations and pressure vessels among others. In this work, guided waves propagation characteristics are studied, first in a prismatic bar and then within the geometry of a rail. In both cases, dispersion curves were computed according two different work methodologies, first using an axisymmetric model and then corroborated with a model of periodic conditions. Finally propagation of a Tone-Burst waves were simulated on the analyzed geometries, leading to the discussion of how the waves scatter along its propagation. The results obtained were the dispersion curves of both sections. / En las últimas décadas técnicas relacionadas con la medición de ondas elásticas han avanzado sensiblemente. Actualmente, con equipamientos relativamente económicos es posible registrar amplitudes y franjas de frecuencia que eran impensables dos décadas atrás. Este hecho ha motivado que tópicos teóricos que hasta hace un tiempo tenían una aplicación cuestionable tengan que ser desarrollados para poder aprovechar las nuevas potencialidades tecnológicas en la obtención de mayor y mejor información experimental. En este contexto, el estudio de la propagación de ondas guiadas en sólidos se presenta como un conocimiento que posibilita detectar daño con eficiencia y economía en una serie de estructuras en las cuales por lo menos una dimensión es mucho mayor que las otras dos. Es el caso de estructuras tubulares, rieles o recipientes sometidos a presión entre otras. En el presente trabajo se estudian las características de propagación de ondas guiadas primeramente una barra rectangular y posteriormente en la geometría de un riel. En ambos casos, fueron calculadas las curvas de dispersión obtenidas con por dos metodologías de trabajo por elementos finitos, la primer metodología fue emplear un cálculo aplicando un modelo axisimétrico, y luego corroborado con un modelo de condiciones periódicas y posteriormente fue simulada la propagación de una onda tipo Toneburst sobre las geometrías analizadas discutiendo cómo dicha onda se dispersa durante su propagación. Los resultados obtenidos fueron las curvas de dispersión de ambas secciones.

Este trabalho apresenta o estudo de um sistema genérico de medição que utiliza o princípio das correntes de Foucault, comumente conhecidas como correntes parasitas. O modelo do sistema é representado como um circuito elétrico equivalente composto por R1 e L1, respectivamente caracterizando a resistência e a indutância do circuito primário, as quais são conhecidas por uma bobina de excitação. Já no secundário, R2 e L2, estão representando a perda ôhmica e a indutância da amostra no qual as correntes parasitas são induzidas, além de outros dois componentes, M indutância mútua dos indutores acoplados e k, coeficiente relacionado ao acoplamento magnético entre os circuitos primário e secundário. A análise tradicionalmente utilizada para este tipo de medição é a avaliação da reflexão da impedância equivalente do circuito secundário representando a amostra no circuito primário. O trabalho analisa as equações de malha do circuito equivalente no domínio da frequência e identifica os parâmetros do modelo. A partir da identificação do sistema realizada com os ensaios experimentais, foi possível descobrir a constante de tempo indutiva τL do sistema. A partir dessa constante, observou-se a variação acentuada da mesma em relação a variação da impedância equivalente. Ainda é apresentada uma estimativa dos valores de R2 e L2 realizada por meio da unificação das informações obtidas com a identificação, aliada com as informações de campo magnético obtidas a partir de um sensor do tipo GMR e pela simulação em um software de elementos finitos COMSOL Multiphysics. / This work presents the study of a generic measurement system that uses the prin- ciple of eddy currents. The system model is represented as an equivalent electric circuit composed of R1 and L1 respectively characterizing the resistance and induc- tance of primary circuit, which are known by an excitation coil. In the secondary, R2 and L2 are representing the ohmic loss and the inductance of the sample in which the eddy currents are induced, in addition two other components, the mutual induc- tance of the coupled inductors and k, coefficient related to the magnetic coupling between the primary and secondary circuits. The analysis traditionally used for this type of measurement is the reflection evaluation of the equivalent impedance of the secondary circuit representing the sample in the primary circuit. The work analyzes the mesh equations of the equivalent circuit in the frequency domain and identifies the parameters of the model. From the identification of the system performed with the experimental tests, it was possible to discover the inductive time constant τL of the system. From this constant, it was observed the sharp variation of the same in relation to the variation of equivalent impedance. An estimate values, R2 and L2 performed by unification of the information obtained with the identification, to- gether with the magnetic field information obtained from a GMR type sensor and by simulation in a finite element software COMSOL Multiphysics.

Sistemas de ensaios não destrutivos por ondas guiadas despertam cada vez mais a atenção tanto da indústria, como da academia. Isso deve-se, principalmente, às possibilidades que as ondas guiadas permitem, como maior área de triagem que o ultrassom convencional. Porém a técnica tem suas limitações, já que esta apenas gera uma estimativa da localização de um defeito e não a sua dimensão. Nessa limitação, algoritmos tomográficos apresentam uma possibilidade de avanço da técnica, pois permitem determinar não só a localização de corrosões e defeitos, mas também seu dimensionamento. Este trabalho apresenta tomografia de difração como uma alternativa para avaliação de integridade estrutural. Primeiramente, utilizou-se análise por métodos numéricos para mostrar a validade dos algoritmos e posteriormente foi realizado um experimento em uma chapa real com o objetivo de reconstruir a imagem do defeito. / Guided waves nondestructive testing systems are increasingly attracting industrial and academic attention. The mainly reason for this attention is the possibility of screening a large area than conventional ultrasound technique. However, Guided Waves Testing has limitations, since it gives only an estimation of the location of a defect, but not the dimensions. Tomographic algorithms come up with an improvement of the technique, because it allows discovery not only the location of corrosions and defects, but the dimensions too. This work brings Diffraction Tomography as an alternative to structural health monitoring. First, a numerical analysis was implemented to demonstrate the validity of the algorithms, after that an experiment in a real plate was made with the objective to recover the defect image.

A operação segura e eficiente em unidades de produção de petróleo e gás depende do desempenho de seus dispositivos, componentes e estruturas. Dutos rígidos são importantes componentes utilizados na indústria offshore, comumente empregados como flowlines e risers. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas a sua movimentação, ao processo de extração de petróleo e ao vórtice das marés. O aço inoxidável superduplex surgiu na última década como um material alternativo para ambientes quimicamente agressivos, mas quando catodicamente protegidos contra a corrosão, esses aços são vulneráveis a fragilização por hidrogênio. Este trabalho tem como objetivo, através da técnica de Ensaio Não Destrutivo de ultrassom phased array, monitorar o crescimento de defeitos internos e externos criados intencionalmente próximos à raiz e ao reforço da solda de um tubo de aço superduplex (UNS S32750) de 6´´ submetido a fadiga tração-tração e fragilização induzida por hidrogênio devido à proteção catódica. As inspeções foram realizadas periodicamente com varreduras de 30 a 75° ao longo da circunferência da solda, por um transdutor linear 1-D de 16 elementos e 5MHz acoplado a uma sapata de 36°. Os resultados obtidos foram utilizados para alimentar análises de integridade estrutural, obtenção da curva da/dN x ΔK. / Safe and efficient operation in oil and gas production units depends on the performance of your devices, components and structures. Rigid pipelines are important components in the offshore industry, common used as flowlines and risers. During a life in service of components, they suffer cyclical axial stresses associated with their movement, by the oil extraction process and tidal vortex. Super duplex stainless steel has emerged in the last decade as an alternative material for chemically aggressive environments, but when cathodically protected against corrosion, it is vulnerable to hydrogen embrittlement. This work aims to, through the ultrasonic non-destructive testing by phased array monitor the growth of internal and external defects created intentionally close to the root and reinforcement of the weld of a superduplex steel tube (UNS S32750) with diameter of 6" submitted to tensile-traction fatigue and hydrogen-induced embrittlement due to cathodic protection. The inspections were performed periodically with 30 to 75° scans along the circumference of the weld, by a linear transducer of 1-D, 16-element and 5MHz coupled to a wedge of 36°. The obtained results were used to feed structural integrity analyzes, obtaining the curve of da/dN x ΔK.

Componentes metálicos em operação podem estar sujeitos a diversas condições de operação deletérias. Visando avaliar os riscos de operação para evitar falhas, a análise de integridade estrutural é uma ferramenta amplamente aplicada e requer constante evolução. Por utilizar dados de ensaios não destrutivos, essa ferramenta requer cada vez mais precisão, para aprimorar seus resultados e reduzir ao máximo as falhas de componentes em operação. Por apresentar menor tempo de inspeção e maior probabilidade de detecção, o Phased Array surge como alternativa às técnicas convencionais de ultrassom. Dentre as técnicas de Phased Array, o Total Focusing Method (TFM) apresenta um dos resultados mais promissores, apresentando grande vantagem sobre técnicas convencionais de ultrassom e de Phased Array devido a sua melhor precisão e fácil interpretação dos resultados. Neste trabalho, o TFM foi aplicado em diversos blocos contendo descontinuidades usinadas, as quais simulam diferentes tipos de defeitos. O foco do TFM foi gerar blocos em três dimensões (3D) dos defeitos, facilitando a interpretação dos resultados, além da possibilidade da inserção desses blocos em softwares de análise de integridade estrutural, melhorando a precisão dos resultados. O TFM foi aplicado através do tratamento de dados de um sensor linear de Phased Array, com frequência de 5 MHz e com 64 elementos ativos. Nesse trabalho, foram desenvolvidas e aplicadas novas etapas no algoritmo do TFM para melhorar a precisão dos resultados, como a compensação da perda de energia e o half-skip. As etapas adicionais aplicadas ao algoritmo do TFM geraram bons resultados para entalhe e furos usinados nos blocos de aço carbono. Além dos blocos com defeitos usinados, foi realizada a inspeção de um bloco de aço inoxidável austenítico soldado. Para o bloco soldado, os resultados não foram satisfatórios, não sendo possível detectar defeitos existentes. Após a aplicação do TFM, foi simulado o deslocamento do sensor ao longo da peça, gerando diversas imagens 2D, as quais foram conectadas via isosuperfícies, gerando sólidos 3D dos defeitos presentes em cada bloco. Por fim, esses blocos foram exportados para um software CAD, apresentando excelente correspondência. / Metallic components in operation can be submitted to several harming operation conditions. Aiming to evaluate the operational risks to avoid failure, the structural integrity analysis is a widely applied tool and requires constant evolution. As it uses non-destructive testing data, this tool requires increasingly precision, to enhance its results and reduce the majority of the operating components failures. Because of the shorter inspection time and greater probability of detection, Phased Array is an alternative to conventional ultrasonic techniques. Among the techniques of Phased Array, the Total Focusing Method (TFM) presents one of the most promising results, offering great advantage over conventional ultrasonic and Phased Array techniques due to its better precision and easy interpretation of results. In this work, the TFM was applied to many blocks, which contain machined discontinuities simulating several defects. The objective of applying the TFM was to generate three-dimensional (3D) blocks, turning the interpretation of the results easier and giving the possibility to insert these blocks into a structural integrity analysis software, enhancing the results precision. The TFM algorithm was applied through treatment of data from a 5 MHz linear Phased Array sensor with 64 active elements. In this work, it were developed and applied new steps in the TFM algorithm, as energy loss compensation and half-skip interaction, to improve its precision. The additional steps applied to the TFM algorithm achieved great results for notch and holes machined in carbon steel blocks. In addition to the blocks with machined defects, a welded austenitic stainless steel block was inspected. For the welded block, the results were not satisfactory and it was not possible to detect the present defects. After the application of the TFM, the displacement of the transducer along the block was simulated, generating several 2D images, which were connected via isosurfaces, generating 3D solids corresponding to the defects present in each block. To conclude, these blocks were exported to a CAD software, presenting excellent matching.

Os ensaios não destrutivos servem como uma importante ferramenta para a análise de estruturas de concreto armado. A utilização de ensaios de velocidade de propagação do pulso ultra-sônico (VPU) permite realizar um acompanhamento das características do material ao longo de sua vida útil. Através da análise dos dados obtidos, pode-se averiguar a uniformidade do concreto, controlar a sua qualidade, acompanhar sua deterioração e, através de comparação com corpos de prova de referência e, até mesmo, estimar a resistência do mesmo. No entanto, as técnicas atuais para análise dos resultados coletados são, em grande parte, baseadas na sensibilidade dos profissionais que as aplicam. Para facilitar o controle e inspeção de estruturas de concreto armado é fundamental desenvolver estratégias para tornar esta análise mais simples e precisa. Este trabalho se baseia na hipótese de que a aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNAs) pode gerar modelos de relacionamento úteis e acurados entre as características do concreto, sua compacidade e sua resistência à compressão. O intuito é determinar se com o uso de RNAs é possível estabelecer relações não-lineares que permitam estimar a resistência do concreto a partir do conhecimento de algumas propriedades básicas e da verificação da sua compacidade por meio de ensaios de VPU. Os resultados indicam que as RNAs podem ser usadas para gerar métodos numéricos robustos e flexíveis para estimativa da resistência à compressão a partir de dados de VPU. O estudo evidencia uma considerável melhora nos resultados de estimação da resistência quando se empregam modelos neurais, em comparação a modelos estatísticos tradicionais. Para os dados coletados, provenientes de diversas pesquisas, os modelos tradicionais geram estimativas com coeficientes de determinação que não ultrapassam um valor de R² de 0,40. Já as redes neurais conseguem ajustes com R² da ordem de 0,90. Além de contribuir para uma melhor análise de situações em que haja dúvidas sobre a resistência ou homogeneidade de elementos de concreto, o trabalho demonstra que modelos neurais são uma forma eficiente de ordenar e transferir conhecimento não estruturado. Constatou-se, ainda, que, dada sua capacidade de aprendizagem e de generalização do conhecimento adquirido, as RNAs se constituem em um meio rápido e preciso para modelagem de fenômenos complexos. / Nondestructive Testing (NDT) techniques are useful tools for analyzing reinforced concrete (RC) structures. The use of Ultrassonic Pulse Velocity (UPV) measurements enables the monitoring of changes in some critical characteristics of concrete over the service life of a structure. The interpretation of the data collected allows an assessment of concrete uniformity, and can be used to perform quality control, to monitor deterioration and even, by means of comparison against reference samples, to estimate compressive strength. Nonetheless, the current techniques for UPV data analysis are, on a large degree, based on the sensitivity of the professionals who apply these tests. For accurate diagnosis it is necessary to consider the various factors and conditions that can affect the results. To proper control and inspect RC facilities it is essential to develop appropriate strategies to make the task of data interpretation easier and more accurate. This work is based on the notion that using Artificial Neural Networks (ANNs) is a feasible way to generate workable estimation models correlating concrete characteristics, compacity and compressive strength. The goal is to determine if it is possible to establish models based on non-linear relationships that are capable of estimating with good accuracy the concrete strength based on previous knowledge of some basic material characteristics and UPV measurements. The study shows that this goal is achievable and indicates that neural models perform better than traditional statistical models. For the data collected in this work, provided by various researchers, traditional regression models cannot exceed R² = 0.40, while the use of ANNs allows the creation of models that can reach a determination coefficient R² = 0.90. The results make clear that, besides contributing to better the analysis of situations where there is doubts regarding concrete strength or uniformity, neural models are an efficient way to order and transfer unstructured knowledge. It was shown that, given the learning capacity and its ability to generalize acquired information into mathematical patterns, ANNs are a quick and adequate way to model complex phenomena.

No país existem inúmeras estruturas e obras civis que estão em operação a dezenas de anos e necessitam de monitoramento periódico devido a sua importância. Por este motivo, a dissertação apresenta um caso de um túnel antigo com problema de queda de bloco e visa instigar novas pesquisas e aumentar o conhecimento sobre o tema. Foram realizadas inspeções em campo em alguns túneis não revestidos da Estrada de Ferro Vitória-Minas (EFVM), bem como os ensaios em laboratório e in situ realizados nas amostras e no maciço rochoso para caracterizar o problema. Para o estudo foi escolhido o túnel Monte Seco Linha 1 e Linha 2 nos quais foram realizadas sondagens rotativas inclinadas e orientadas próximas ao eixo para investigação dos planos de descontinuidade. Os conceitos da Teoria dos Blocos-Chave foram aplicados às famílias de descontinuidades encontradas nos Túneis Monte Seco L1 e L2 para identificar os possíveis blocos instáveis formados pelas escavações. Para obtenção dos parâmetros geotécnicos de resistência e deformabilidade foram realizados ensaios de compressão uniaxial instrumentados com strain gages. A resistência a tração foi obtida através de Ensaio de Compressão Diametral (ECD). No ensaio de campo foi utilizado o Martelo de Schmidt para avaliação da rocha in situ. Através da análise dos dados foi possível distinguir setores cuja ocorrência de queda de blocos são maiores e a classe do maciço rochoso de acordo com a proposta de Bieniawski. / In the country there are numerous structures and civil works that are in operation for tens of years and require periodic monitoring due to its importance. For this reason, the dissertation presents a case of an old tunnel with block fall problem and aims to instigate new research and increase knowledge on the subject. Inspections were carried out in the field in some tunnels uncovered of the Railroad Vitória-Minas (EFVM) and testing in the laboratory and in situ carried out on the samples and the rock mass to characterize the problem. To study the tunnel Monte Seco Line 1 and Line 2 of which were held rotary polls inclined and oriented close to the axis to investigate the discontinuation plans was chosen. The concepts of the Key Block Theory were applied to the families of discontinuities found in Tunnels Monte Seco L1 and L2 to identify potential unstable blocks formed by the excavations. To obtain the geotechnical parameters of strength and deformability were performed uniaxial compression tests instrumented with strain gages. The tensile strength was obtained by diametral compression test (ECD). A field test was used to evaluate Schmidt hammer rock in situ. Through the analysis of the data was possible to distinguish sectors whose occurrence of falling blocks are larger and the rock mass class in accordance with the proposal of Bieniawski.

O presente trabalho tem como objetivo caracterizar e correlacionar formas de onda de sinais de emissÃo acÃstica, utilizando mÃtodos de anÃlise espectral e fractal, em corpos de prova previamente soldados com seus respectivos defeitos, avaliando assim a integridade estrutural do material aÃo carbono ASTM 516 Grau 60, utilizado em vasos de pressÃo, tubulaÃÃes, esferas de armazenamento, etc. Os sinais de emissÃo acÃstica foram gerados submetendo os corpos de prova a ensaios de traÃÃo. Para anÃlise dos sinais no domÃnio dos tempos, foram utilizados o mÃtodo de contagem de caixas, que fornece a dimensÃo fractal, e o de intervalo re-escalado de Hurst, e no domÃnio das freqÃÃncias o mÃtodo espectral de Fourier. AtravÃs das relaÃÃes previstas pelas leis de escala, concluiu-se que os expoentes calculados pelos mÃtodos espectral de Fourier e reescalado de Hurst, correlacionam-se entre si, bem como com a dimensÃo fractal obtida pelo mÃtodo de contagem de caixas. Mostrou-se tambÃm a existÃncia de duas regiÃes de escala distintas que caracterizam a mudanÃa do regime elÃstico para o regime plÃstico quando as amostras foram submetidas ao carregamento de traÃÃo. Verificou-se ainda que este comporta-mento foi caracterÃstico tanto para os materiais soldados como para o metal de base. / The present work aims to characterize and correlate waveforms of acoustic emission signals, using methods of spectral analysis and fractal in specimens previously soldiers with their defects, thus evaluating the structural integrity of the material carbon steel ASTM 516 Grade 60 used in pressure vessels, piping, storage spheres, etc.. The acoustic emission signals were generated by subjecting the specimens to tensile tests. For analysis of the signals in the time domain, we used the method of box counting, which provides the fractal dimension, and re-scaled range of Hurst, and in the frequency domain the Fourier spectral method. Through the relations laid down by law scale, it was concluded that the exponents calculated by Fourier transform and spectral methods reescalado Hurst, are correlated with each other as well as the fractal dimension obtained from a box counting. It was also shown existence of two regions of different scale characterizing the change of the elastic to the plastic regime when the samples were subjected to traction. It was further found that this behavior is characteristic for both the welded material as for the parent metal.

Este trabalho apresenta os resultados da aplicação da metodologia de inspeção não intrusiva (INI) em equipamentos do sistema de dessulfurização de gás numa plataforma petrolífera, com o auxílio da inspeção baseada em risco utilizando a norma API RP 581. A inspeção não intrusiva é aplicada tendo como fundamentos as guias de inspeção, como a DNV-RP-G103, que reúne informações de como executar e justificar o seu uso, a fim de garantir a segurança das instalações, eliminando a necessidade de uma parada do equipamento para a realização da inspeção. Contudo nem todos os equipamentos puderam ser inspecionados por esta metodologia, devido a limitações operacionais e/ou construtivas. O trabalho conclui que a inspeção não intrusiva pode ser aplicada à inspeção de equipamentos sem prejuízo ao mapa de risco do equipamento ou da unidade, e naqueles onde não é possível à utilização somente da metodologia, a mesma poderá ser aplicada em conjunto com a inspeção convencional fornecendo informações importantes sobre o estado do equipamento, melhorando assim a confiabilidade do planejamento da parada de manutenção e uma redução dos custos envolvidos. / This paper presents the results of applying the methodology of non-intrusive inspection (INI) in electrical system flue gas desulphurization an oil rig, with the help of riskbased inspection using the API RP 581. The non-intrusive inspection is implemented with the guides as the foundations of inspection, such as DNV-RP-G103, which gathers information on how to make and justify its use, to ensure the safety of installations, eliminating the need for a parade equipment to perform the inspection. However not all equipment could be inspected by this method, due to operational limitations and / or constructive. The paper concludes that the non-intrusive inspection can be applied to inspection of equipment subject to the risk map of the equipment or unit, and those where it is not possible to use only the methodology, it may be applied along with conventional inspection providing important information on the status of the equipment, thereby improving the reliability of planning maintenance shutdown and lower costs.