UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

ADIÇÃO DE MARCADORES MAGNÉTICOS PARA AVALIAÇÃO NÃO

DESTRUTIVA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

ANA PAULA PEREIRA FULCO

ORIENTADOR: PROF. DR. JOSÉ DANIEL DINIZ MELO

CO-ORIENTADOR: PROF. DR. CARLOS ALBERTO PASKOCIMAS

NATAL - RN, SETEMBRO DE 2010

ANA PAULA PEREIRA FULCO

ADIÇÃO DE MARCADORES MAGNÉTICOS PARA AVALIAÇÃO NÃO

DESTRUTIVA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS

Monografia apresentada ao programa de

recursos humanos da ANP para o setor de

petróleo e gás – PRH30 da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte, como parte

dos requisitos para obtenção do Título de

Engenheira de Materiais com Ênfase na

Indústria do Petróleo e Gás.

Orientador:

Prof. Dr. José Daniel Diniz Melo.

Co-orientador:

Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas.

NATAL - RN, SETEMBRO DE 2010

Dedico este trabalho com amor ao meu pai

Paulo pelo amor incondicional, pela imensa

sabedoria nos ensinamentos da vida, a

memória de minha mãe Eliane,meu anjo da

guarda que me guia em todos os meus

caminhos, que me ajuda a conseguir tudo que

desejo, às minhas irmãs Juliana e Monica por

todo amor, apoio, força e pela grande amizade

que temos e pelo exemplo de responsabilidade

e zelo em suas respectivas profissões e a minha

avó Maria Augusta pelas orações, pela torcida

e por seu amor.”

AGRADECIMENTOS

À Agência Nacional do Petróleo, através do Programa de Recursos Humanos para o

Setor de Petróleo e Gás (PRH-30), pela bolsa de estudo e apoio financeiro que foram

fundamentais para a conclusão deste curso.

Ao meu orientador, o professor Dr. José Daniel Diniz Melo, pela ajuda, pela confiança

no meu trabalho, pela compreensão, pelas trocas de idéias e elucidações de algumas dúvidas.

Replico esses dizeres ao meu co-orientador, professor Dr. Carlos Alberto Paskocimas, que

juntamente com José Daniel foram os docentes que mais me incentivaram na execução deste

trabalho.

Ao Prof. Dr Fernando Luis de Araújo Machado e ao Prof Dr. Alexandre Ricalde

Rodrigues, da UFPE pela disponibilidade do laboratório para realizações dos testes de

magnetização, pelas dicas e sugestões valiosas nas discussões de resultados.

A Prof Suzana Nóbrega de Medeiros pelos seus conhecimentos fornecidos durante

este projeto.

As empresas FERMAG Ltda. e TECNIPLAS Ltda. pelo apoio técnico.

Aos engenheiros Tharsia, Antonio, Rannier pelo apoio e incentivo às atividades

desenvolvidas.

Aos amigos acadêmicos da turma de engenharia de materiais pelo companheirismo e

pelo compartilhamento de conhecimentos. Em especial: Poliana, Elânia, Bárbara, Kim,

Arthur, Haricson, Danilo, Diego, Jefferson.

Aos meus amados familiares, pelo ambiente de união e amizade proporcionado.

Ao meu namorado, Marcelo, pelo incentivo, carinho, compreensão e auxílio em todos

os momentos.

As minhas inesquecíveis amigas: Fernanda, Raphaela, Camila, Aline, Mabel, Ana

Patrícia, Érika, Aliane, Stela, Marinna, Amanda, Elis.

Aos colegas do Laboratório de cimentos (LABTAM) pela ajuda e pela amizade.

Á Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN pela oportunidade de realizar

a graduação em Engenharia de Materiais, a todos os professores, secretárias e funcionários do

Departamento de Engenharia de Materiais.

Em especial a Deus por ter me dado força e iluminado meu caminho para que pudesse

concluir mais uma etapa da minha vida.

“O que sabemos é uma gota, o que não

sabemos é um oceano”.

Isaac Newton.

vii

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E SIGLAS ................................................... viii

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. ix

LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. x

RESUMO .................................................................................................................................. xi

ABSTRACT ............................................................................................................................ xii

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................... 1

1.1 OBJETIVOS ......................................................................................................................... 2

1.1.1objetivos Gerais .............................................................................................................. 2

1.1.2 Objetivos Específicos .................................................................................................... 2

1.2.ORGANIZAÇÃO DA MONOGRAFIA .............................................................................. 3

2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................................. 5

2.1 INDÚSTRIA DE PETRÓLEO ............................................................................................. 5

2.1.1 Corrosão - Metal ............................................................................................................ 6

2.2 COMPETITIVIDADE DOS MATERIAIS COMPÓSITOS EM RELAÇÃO AO AÇO .... 7

2.3 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS ....................................................................................... 7

2.4 FERRITAS ........................................................................................................................... 8

2.4.1 Hexaferritas ................................................................................................................... 9

3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL .............................................................................. 10

3.1 MATERIAIS E MÉTODOS ............................................................................................... 10

3.1.1 Materiais ...................................................................................................................... 10

3.2 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO ............................................................................. 13

3.2.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) ............................................................. 13

3.2.2 Florescência de Raios X .............................................................................................. 13

3.2.3 Difração de Raios-X .................................................................................................... 14

3.2.4 Medidas da Área Superficial Específica ...................................................................... 14

3.2.5 Ensaio Magnético ........................................................................................................ 14

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO ....................................................................................... 16

4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS DE FERRITA .............................................................. 16

4.1.1 Difração de Raios X (DRX) ........................................................................................ 16

4.1.2 Fluorescência de Raios X (FRX) ................................................................................. 18

Ferrita de Bário ................................................................................................................. 18

Ferrita de Estrôncio .......................................................................................................... 18

4.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura .......................................................................... 18

4.1.4 Medidas da Área Superficial Específica ...................................................................... 20

4.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA ...................................................... 20

5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .............. 25

5.1 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 25

5.2. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 26

6.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 27

viii

LISTA DE ABREVIATURAS, SÍMBOLOS E SIGLAS

ANP – Agência Nacional de Petróleo

BaFe12O19 – Hexaferrita de bário

BET – Brunauer, Emmet e Teller

BSE – Elétrons retro-espalhados

CTGAS-ER – Centro de Tecnologias do Gás & Energias Renováveis

D – Distância

DRX – Difração de Raios X

ENDs – Ensaios não-destrutivos

Fe3O4 – Magnetita

FRX – Fluorescência de Raios X

GPIB – General Purpose Interface Bus (Barramento de Interface de Propósito Geral)

H – Campo Magnético

MEV – Microscopia eletrônica de varredura

MM –Milímetro

OE – Oersted

PRH – Programa de Recursos Humanos para o Setor de Petróleo e Gás

SrFe12O19, – Hexaferrita de estrôncio

UN-RNCE – Unidade de Exploração e Produção do Rio Grande do Norte e Ceará

http://www.ctgas.com.br/

ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Disco de compósito de matriz polimérica com adição de ferrita. ........................... 11

Figura 2 – Disco de compósito de matriz polimérica com adição de ferrita e entalhes pré-

usinados .................................................................................................................................... 12

Figura 3 – Equipamento para medição do campo magnético ................................................... 15

Figura 4 – Gaussímetro de Efeito Hall F.W. Bell Modelo 7030 .............................................. 15

Figura 5 – Controlador de motor de passo ............................................................................... 15

Figura 6 – Difratograma de raios X das partículas do pós de ferrita de bário .......................... 17

Figura 7 – Difratograma de raios X das partículas do pós de ferrita de estrôncio ................... 17

Figura 8 – Fotomicrografias de MEV obtidas para o compósito com ferrita de bário (10%). . 19

Figura 9 – Fotomicrografias de MEV obtidas para o compósito com ferrita estrôncio (10%).19

Figura 10 – Micrografia de MEV, a) ferrita de bário e b) ferrita de estrôncio ......................... 20

Figura 11 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito I .......... 21

Figura 12 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito II (10%)

.................................................................................................................................................. 21

Figura 13 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito III (10%)

.................................................................................................................................................. 22

Figura 14 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito IV (10%)

.................................................................................................................................................. 22

Figura 15 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito I (5%) . 23

Figura 16 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito II (5%) 23

Figura 17 – Gráfico de campo magnético(Oe) versus distância (mm) para o defeito III (5%) 24


.................................................................................................................................................. 24

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Composição química da ferrita de bário obtida por fluorescência de raios X ........ 18

xi

FULCO, Ana Paula Pereira – ADIÇÃO DE MARCADORES MAGNÉTICOS PARA

AVALIAÇÃO NÃO DESTRUTIVA DE COMPÓSITOS POLIMÉRICOS. Monografia,

UFRN, Graduação em Materiais. Área de Concentração: Pesquisa e Desenvolvimento em

Materiais. Linha de Pesquisa: Compósitos na Indústria de Petróleo, Natal – RN, Brasil.

Orientador: Prof. Dr. José Daniel Diniz Melo

Co-orientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de compósitos poliméricos com adição

de diferentes partículas de ferrita (ferrita de bário e ferrita de estrôncio) e análise das

propriedades magnéticas de cada material, visando aplicações em dutos de compósitos

poliméricos que permitam a inspeção através de técnicas que utilizem sensores magnéticos.

Discos de compósitos de fibra de vidro/poliéster foram produzidos com adição de 5% e 10%

em massa de partículas de ferrita. Defeitos foram introduzidos nestas amostras em locais pré-

determinados. As variações das linhas de campo do material induzidas foram evidenciadas. A

caracterização das partículas de ferrita foi realizada pelas técnicas de difração de raios X

(DRX), fluorescência de raios X (FRX) e medida de área superficial específica (BET). A

dispersão das partículas de ferrita na matriz polimérica foi analisada através de microscopia

eletrônica de varredura (MEV). Os resultados sugerem que a técnica proposta tem grande

potencial para a detecção de falhas em dutos de compósitos poliméricos.

Palavras chaves: Compósitos, Marcadores magnéticos, Ensaios não-destrutivos.

xii

FULCO, Ana Paula Pereira – ADDITION OF MAGNETIC MARKERS FOR NON-

DESTRUCTIVE EVALUATION OF POLYMER COMPOSITES. Monograph, UFRN, in

Materials. Concentration Area: Research and Development Materials. Research Lines:

Composites in the Petroleum Industry, Natal - RN, Brazil.

Orientador: Prof. Dr. José Daniel Diniz Melo

Co-orientador: Prof. Dr. Carlos Alberto Paskocimas

ABSTRACT

The present work aims at the development of polymer composites with the addition of two

types of ferrite particles (barium ferrite and strontium ferrite) and analysis of the magnetic

properties of each material, for non-destructive evaluation of composite pipes using magnetic

sensors. Glass-polyester composite disks were fabricated with the addition of ferrite particles

in contents of 5 wt% and 10 wt% and notches were introduced on the disk surfaces. The

influence of these notches on the magnetic properties of each material were measured.

Techniques of x-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence (XRF) and Brunauer, Emmett,

and Teller (BET) nitrogen adsorption were used for the characterization of the particles. The

dispersion of ferrite particles in the polymer matrix was analyzed by scanning electron

microscopy (SEM). The results suggest that the proposed technique has great potential for

damage detection in polymer composite pipes.

Keywords: Composite materials, Magnetic markers, Non-destructive evaluation.

1

Capítulo 1

1. INTRODUÇÃO

Dutos de aço são comumente utilizados na indústria do petróleo para transporte de

óleo e gás. Entretanto, a ocorrência de corrosão implica em vida útil reduzida desses

componentes e necessidade de intervenções frequentes para reparos e/ou substituições.

Tubulações de compósitos de matriz polimérica, por sua vez, apresentam vantagens em

relação aos tubos de aço para esse tipo de aplicação devido a resistência à corrosão inerente a

este tipo de material, além de outras vantagens como a redução de peso. No entanto, nas

tubulações de compósitos convencionais usadas atualmente existe a impossibilidade de

realização de ensaios não-destrutivos (ENDs) para avaliação de sua integridade utilizando

pigs instrumentados que operam com sensores magnéticos.

Materiais compósitos são resultantes da combinação de dois ou mais materiais de

modo a formar um novo produto com características distintas dos seus constituintes originais.

Estes materiais são produzidos através da mistura física de uma fase dispersa, que pode ser na

forma de partículas ou fibras em uma fase contínua, denominada de matriz [1]. Além da

resistência à corrosão, os materiais compósitos de matriz polimérica oferecem uma

combinação de propriedades atrativas para dutos como elevadas resistência e rigidez

específicas e baixo coeficiente de expansão térmica [2].

O problema de detecção de danos e defeitos internos em materiais compósitos tem

recebido grande atenção nos últimos anos, tanto para controle de qualidade durante as fases de

produção e em serviço, como também para inspeção durante as operações de manutenção. O

uso de técnicas não-destrutivas é necessário para a análise das propriedades internas das

estruturas sem causar danos para os materiais. Algumas das técnicas de END’s utilizadas em

compósitos incluem ultra-som, emissão acústica, termografia, laser, ultra-som e radiografia X

[3].

A adição de partículas magnéticas em compósitos de matriz polimérica oferece um

grande potencial para permitir a inspeção desses materiais utilizando técnicas de END, que

são sensíveis às mudanças no campo magnético. Quando há um defeito no material a ser

inspecionado, há distorções no campo magnético detectado pelos transdutores e convertidos

2

em sinais eletrônicos [4]. As ferritas são materiais magnéticos onde o principal componente é

o óxido de ferro [5]. Uma característica de destaque das ferritas é que elas apresentam uma

indução magnética espontânea na ausência de um campo magnético externo. Estes materiais

formam uma classe predominante entre as cerâmicas magnéticas [5] com uma fórmula

química do tipo M2+

Fe23+

O4, onde M é um metal de transição, geralmente do grupo do ferro

(Mn2+

, Fe2+

,Co2+

, Ni2+

, Ba2+

, Sr 2+

,Cu2+

e Zn2+

).

1.1 OBJETIVOS

1.1.1objetivo Geral

O objetivo deste trabalho é desenvolver compósitos poliméricos com adição de

marcadores magnéticas e estudar as variações de campo magnético em torno da região de

defeitos estruturais introduzidos propositadamente em amostras desses materiais. A aplicação

pretendida visa o uso em dutos de compósitos poliméricos que permitam a inspeção por meio

de ensaios não-destrutivos (ENDs). No presente caso, foi utilizada a técnica de medição do

campo de fuga magnético em torno dos defeitos.

1.1.2 Objetivos Específicos

Entre os objetivos específicos encontram-se:

- Caracterizar as partículas para a determinação das principais propriedades;

- Fabricar compósitos de matriz polimérica com adição de marcadores magnéticos;

- Estudar o efeito da fração de massa de partículas nas propriedades magnéticas do

compósito produzido;

- Avaliar os materiais desenvolvidos por meio de END convencional, através da técnica

de medição do campo de fuga magnético.

3

1.2.ORGANIZAÇÃO DA MONOGRAFIA

Este Capítulo 1 descreve de forma sucinta o objetivo geral deste trabalho e aponta

temas referentes as vantagens das tubulações de compósitos, as limitações para inspeção de

sensores magnéticos e a aplicabilidade das ferritas ao compósito cujos conhecimentos são

essenciais.

O Capítulo 2 é dedicado à revisão bibliográfica e apresentação de conceitos

fundamentais ao entendimento do restante do trabalho.

No Capítulo 3 são apresentados os materiais e as metodologias utilizadas no

desenvolvimento da pesquisa.

Os resultados obtidos estão expostos no Capítulo 4, que contém, dentre outros dados,

gráficos e tabelas relativos às caracterizações das partículas do material estudado (ferrita de

bário e ferrita de estrôncio), fotomicrografias e gráficos de caracterização magnética dos

discos de compósito de matriz polimérica.

No Capítulo 5 são registradas as conclusões e algumas considerações sobre tópicos

que devem ser ainda investigados, como sugestões de trabalhos futuros.

Finalizando, o Capítulo 6 reúne as referências bibliográficas.

5

Capítulo 2

2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo serão abordadas as vantagens das tubulações de compósito em relação

as tubulações de aço com a finalidade de analisar e compreender o motivo que impulsiona a

substituição das tubulações de aços por tubulações de compósitos para transporte de óleo e

gás pela Petrobrás. As limitações que os sensores magnéticos apresentam com este tipo de

material são também analisadas e finalmente o que pode ser adicionado a este compósito para

que as tubulações possam ser inspecionadas.

2.1 INDÚSTRIA DE PETRÓLEO

A indústria do petróleo utiliza tubulações nos processos de produção e transporte de

óleo e gás. A malha de dutos da UN-RNCE (Unidade de Exploração e Produção do Rio

Grande do Norte e Ceará) da Petrobrás é composta por dutos de transferência construídos com

aço-carbono, dos quais mais de mil quilômetros são de oleodutos [6]. Os fluidos escoados

possuem diversos contaminantes que provocam corrosão (interna e externa), incrustações e

trincas.

Além desses dutos principais de transporte, a UN-RNCE possui cerca de 4.000 linhas

[6] de produção (linhas de surgência), das quais uma importante parcela é composta por

tubulações de compósito de fibra de vidro.

6

2.1.1 Corrosão - Metal

A corrosão dos metais em tubulações empregadas para o transporte de óleo ou gás

causam grandes prejuízos para a indústria do petróleo e gás. O aumento dos custos decorre

não só da necessidade de substituir peças danificadas, mas também dos danos causados por

contaminação, paradas desnecessárias e perda econômica.

Há três cenários principais de danos em tubulações e dutos metálicos [7]: perda de

metal na parede externa, perda de metal na parede interna e componente da tubulação com

vazamento. Desta forma, o primeiro cenário ressalta o funcionamento da tubulação muitas

vezes afetado por corrosão externa. As condições do ambiente de operação que envolve o

tubo, as fissuras e a galvanização apresentam, em geral, formas de corrosão. O resultado da

deterioração é a perda de metal, reduzindo a espessura das paredes do tubo. Pode-se ainda

citar a ocorrência de trincas em soldas ou do próprio tubo original, sem ser por perda de metal

ou vazamento da tubulação, que exigem considerações especiais [7].

O segundo cenário ocorre ao transportar fluido em tubulação, especialmente

substância que reage com a parede interna de um tubo, acarretando corrosão, erosão, ou uma

combinação destes dois tipos de dano, que leva a uma integridade do tubo com duração

temporária. Corrosão é difícil de ser quantificada em relação à parede interna do tubo devido

a perda absoluta de metal e extensão dessa perda. Existem técnicas de inspeção, como a

ultrassonografia e radiografia, para assistir nessa situação. O mais importante é obter o

máximo de informação possível do dano ou deterioração para se escolher o método adequado

de reparo. A deterioração da parede interna, além da mais visível existente na parede externa

do tubo, pode comprometer a capacidade do tubo de resistir às cargas de serviço.

Vazamento é a pior situação dentre os três cenários, e pode ser causado pela perda de

metal da parede interna ou externa do tubo, e ainda, em solda de costuras ou juntas, ou do

próprio tubo original.

Em função da idade da maioria dos sistemas de tubulação nos Estados Unidos bilhões

de dólares são perdidos a cada ano devido a reparação de tubulações corroídas ou danificadas

[8].

7

2.2 COMPETITIVIDADE DOS MATERIAIS COMPÓSITOS EM RELAÇÃO AO

AÇO

Comparando compósitos com aço, há uma série de áreas onde o uso de compósitos é

preferencialmente utilizado. A relação custo-benefício das tubulações de compósitos é

superior em comparação ao aço, pois esses permitem boa durabilidade, bom isolamento

térmico, leveza devido a sua menor densidade, excelente resistência a corrosão e boa

adaptabilidade as funções exigidas [9].

Em termos econômicos, os compósitos oferecem vantagens como substitutos do aço

em várias aplicações com base na avaliação do custo do ciclo de vida e nas suas vantagens da

manutenção e instalação [10].

Os tubos de aço são amplamente utilizados na produção, coleta, transporte e

distribuição de gás natural [9]. Associados ao desenvolvimento científico e tecnológico com

base em estudos de aprimoramento em materiais, os compósitos seguem esta mesma linha de

atuação e tendem a substituir o aço em determinadas aplicações no futuro, com mais

eficiência, qualidade e redução de custos.

Acrescentente-se ainda que o sucesso dos materiais compósitos se atribui a sua alta

resistência a produtos químicos corrosivos e compostos, incluindo H2S.

2.3 ENSAIOS NÃO DESTRUTIVOS

Atualmente, a principal dificuldade identificada para aplicação de dutos de compósito

para o transporte de óleo e gás é a impossibilidade de utilização de ENDs convencionais para

avaliação da integridade, já que os pigs instrumentados são aplicados a materiais susceptíveis

a um campo magnético. Nesses casos, a avaliação da integridade é realizada em pontos pré-

definidos na extensão do duto, o que implica em elevados custos de escavação, longo tempo

de inspeção e em incerteza elevada. Portanto, a não-pigabilidade desses dutos é um dos

principais obstáculos para uma maior aplicação na área operacional.

Ao adicionar marcadores magnéticos nesses compósitos, pode-se eliminar a

dificuldade de aplicação dos ENDs convencionais, tornando possível uma avaliação de

integridade através de Pigs instrumentados, elevando, desta forma, sua confiabilidade

operacional. A técnica de inspeção de dutos por “Pigs” é uma forma bastante utilizada para

8

mapear defeitos causados pela corrosão em um duto ao longo dos anos. Sua grande vantagem

é possibilitar a investigação em toda a extensão do duto.

Os ensaios não destrutivos são métodos para avaliar as características físicas de um

determinado material sem implicar em danos para seu uso final. Os ENDs permitem a

inspeção de uma peça antes da utilização inicial e também ao longo de sua vida útil,

garantindo a qualidade e a integridade física do componente em serviço [11].

Os ENDs constituem uma das principais ferramentas de controle de qualidade de

materiais e produtos, contribuindo para reduzir o custo e aumentar confiabilidade do produto.

Esses ensaios são empregados nos setores de petróleo, petroquímica, nuclear, aeroespacial,

siderúrgico, automotivo, entre outros.

O princípio do método de partículas magnéticas é detectar descontinuidades

superficiais e sub-superficiais tais como trincas, escamas, dobras, inclusões, dupla laminação,

em materiais ferromagnéticos [12]. Três operações são necessárias (i) estabelecer um campo

magnético com o material a ser testado, (ii) aplicar partículas magnéticas na superfície do

material e (iii) analisar o acúmulo de partículas, que indicam a presença da descontinuidade.

A detecção ocorre através de um campo magnético gerado na peça, que percorre toda a

sua superfície e se desvia ao encontrar uma descontinuidade perpendicular ao seu fluxo,

criando uma região de polaridade magnética (campo de fuga) [11]. Enquanto a magnetização

está presente na peça, as partículas magnéticas são atraídas para o local onde existe o campo

de fuga permitindo a visualização da descontinuidade.

O método de campo de fuga é aplicado para a detecção de descontinuidades

superficiais e sub-superficiais em materiais magnetizáveis [4]. Quando existe algum defeito

superficial no material a ser inspecionado, ocorrem distorções no campo magnético,

detectadas por transdutores e transformadas em sinais eletrônicos. Esta inspeção é automática

e permite a identificação do local onde está localizada a descontinuidade.

2.4 FERRITAS

O termo ferrita é utilizado para descrever classes de óxidos magnéticos cujo

componente principal é o ferro. A magnetita, Fe3O4, é uma ferrita genuína e foi o primeiro

material magnético conhecido. As ferritas são classificadas de acordo com a estrutura

cristalina, composição e aplicação específica: ferritas macias com estrutura do tipo espinélio

9

cúbica; ferritas macias com estrutura granada; e ferritas duras com estrutura magnetoplumbita

(hexagonal) [13].

A estrutura cristalina de uma ferrita pode ser considerada uma rede intercalada de íons

metálicos positivamente carregados (Fe2+

, M 2+

) e íons de oxigênio divalente negativamente

carregados (O2-

). É o arranjo dos íons ou a estrutura cristalina das ferritas que determinam as

interações magnéticas e conseqüentemente as propriedades magnéticas. O tipo de estrutura

cristalina é determinado pelo tamanho e a carga dos íons metálicos que equilibram as cargas e

as quantidades relativas dos íons de oxigênio [13].

2.4.1 Hexaferritas

As hexaferritas apresentam papel importante para magnetos permanentes com

aplicações na indústria [14]. A célula hexagonal da ferrita de estrôncio consiste de 10

camadas de oxigênio, na qual íons de F3+

estão situados em cinco posições cristalográficas

diferentes e tem estrutura ferrimagnética.

Das ferritas de bário, as hexaferritas são as mais encontradas na literatura. As

hexaferritas de bário do tipo BaFe12O19 são óxidos ferrimagnéticos hexagonais que atraem

grandes interesses científicos, tecnológicos e industriais como uso de ímã permanente. Em

qualquer dispositivo eletro-eletrônico que requeira em sua composição um ímã permanente,

as hexaferritas de bário (BaFe12O19) têm sido usadas por serem materiais que apresentam

propriedades fortemente relacionadas à microestrutura e morfologia, uma vez que a

diminuição no tamanho da partícula resulta em vantagens tais como altos valores de

coercividade, aplicabilidade em alta freqüência, baixo custo, grande resistência ao calor, e alta

resistência à corrosão, em comparação com outros materiais que desempenham a mesma

função [15].

As hexaferritas de bário atuam, basicamente, como fonte de campo magnético,

influenciando uma região próxima à sua posição em um sistema magnético, o que permite

relacionar a estrutura e as propriedades magnéticas das partículas [16,17]. As hexaferritas de

estrôncio têm como principal característica o seu baixo preço por energia magnética

disponível, devido ao custo relativamente baixo e pela grande disponibilidade de matéria

prima.

10

Capítulo 3

3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Este capítulo discorre sobre os materiais e as metodologias de fabricação e de análise

empregados no desenvolvimento da pesquisa. Na seção 3.1 são descritos os materiais

utilizados assim como suas propriedades e na seção 3.2 são descritas as técnicas de

caracterização utilizadas neste presente trabalho.

3.1 MATERIAIS E MÉTODOS

3.1.1 Materiais

Neste trabalho, utilizou-se a resina poliéster ortofitálica (5 kg), o catalisador butanox

M-50, manta de fibras de vidro tipo E (450 g/m2), cera desmoldante, (ecoglaze 25), fornecidos

pela Tecniplas. Ltda. As cargas metálicas particuladas do presente estudo foram ferrita de

bário (ferrita pulverox PO2-PFL Ba) e ferrita de estrôncio (ferrita pulverox PO2-C Sr)

fornecidas pela Fermag ferritas magnéticas Ltda de Belo Horizonte, MG.

3.1.2 Fabricação de discos de compósitos

Discos de compósitos reforçados com fibra-de-vidro foram fabricados com diâmetro

de 50 cm e com adição de partículas de ferrita. Os discos foram produzidos pelo método de

fabricação manual. Inicialmente foi realizada a mistura e homogeneização da resina de

poliéster com as partículas de ferrita na proporção em massa de 10% e 5% de partículas. Para

isto foi utilizado um agitador mecânico, a uma rotação de 1750 rpm, por um período de 20 s.

As mantas de fibra de vidro foram então impregnadas com a resina poliéster combinada com

as partículas de ferrita e aplicadas umas sobre as outras em uma placa plana para formar um

laminado com quinze camadas. Rolos de compactação foram utilizados em cada camada para

11

auxiliar na remoção de bolhas e promover a compactação. Após a cura da resina polimérica,

os discos foram cortados com o auxílio de uma serra circular de disco diamantado.

Após a fabricação dos discos, quatro tipos de entalhes foram introduzidos com o

auxílio de uma broca para a caracterização magnética. A figura 1 mostra o disco de compósito

de matriz polimérica no processo de cura. Na Figura 2 o disco de compósito é mostrado com

os entalhes usinados.

Foram realizados ensaios de Difração de Raios X (DRX), de Fluorescência de Raios X

(FRX), medidas da área superficial específica (BET), microscopia eletrônica de varredura

(MEV) onde foi possível a caracterização das partículas de pó dos dois tipos de discos de

compósitos.

Figura 1 – Disco de compósito de matriz polimérica com adição de ferrita.

12

Figura 2 – Disco de compósito de matriz polimérica com adição de ferrita e entalhes pré-usinados

I II

III IV

I

II

III

IV

I II

III IV

13

3.2 TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO

3.2.1 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)

A dispersão das partículas no compósito foi avaliada através de um microscópio

eletrônico de varredura (MEV), modelo Shimadzu SSX-550, onde as imagens foram geradas

através do modo de elétrons retro-espalhados (BSE). As amostras foram revestidas com uma

camada de ouro para evitar o surgimento de cargas na superfície que poderia levar a distorção

na imagem.

Na análise de superfície por microscopia eletrônica de varredura (MEV), um feixe fino

de elétrons de alta energia incide na superfície da amostra. As interações entre os elétrons

deste feixe e o sólido em análise, geram uma variedade de sinais, os quais são coletados por

um detector que converte estes sinais em imagem [18].

3.2.2 Florescência de Raios X

A determinação da composição química é uma das características fundamentais de um

material para sua posterior aplicação. Assim sendo, as ferritas em estudo foram analisadas

através de fluorescência de raios X por energia dispersiva (EDX) em um equipamento

Shimadzu modelo EDX-820.

Os espectros de fluorescência de raios X foram obtidos utilizando-se cerca de 300 mg

de ferrita na forma de um pó fino depositada em um porta-amostra formado por um filme

plástico de polietileno, que apresenta baixa absorção de raios X na faixa de energia de

interesse.

14

3.2.3 Difração de Raios-X

A identificação de fases cristalinas presentes no material é uma caracterização

essencial. Foi utilizado o difratômetros XDR-6000 da Shimadzu com tubo de cobre (λ=

1,5418 Å). A varredura foi realizada no intervalo de 2 a 80°(2).

3.2.4 Medidas da Área Superficial Específica

A área superficial, diâmetro médio do poro e volume médio de poro das ferritas de

bário e de estrôncio foram obtidos pela determinação das isotermas de adsorção de N2(g) a

77K em um equipamento ASAP 2010 da Micromeritics, utilizando o método B.E.T.

(Brunauer, Emmet e Teller).

3.2.5 Ensaio Magnético

As medidas do campo magnético dos dois discos de compósitos de matriz polimérica

com adição de partículas de bário e de estrôncio na concentração de 10% foram realizadas por

meio de um sistema especialmente concebido e construído para as medidas deste trabalho

(Figura 3).

Os discos foram fixados num eixo de um motor de passo no qual era possível controlar

a velocidade e o sentido do giro. Um imã era mantido fixo próximo ao disco e uma ponta

Hall, também fixa e ligada a um gaussímetro F.W. Bell (Figura 4) capaz de medir três

componentes perpendiculares do campo magnético, era mantida próxima ao imã. O campo

magnético produzido pela magnetização da amostras juntamente com as distorções do campo

magnético produzidas pelos defeitos eram detectados pelo sensor. Os dados foram adquiridos

via computador, usando um interface GPIB controlada por um programa em Labview.

Para verificar a reprodutibilidade dos resultados, o sentido da rotação dos discos era

invertido nos limites de cada defeito utilizando um controlador de motor de passo (Figura 5).

15

Curvas simétricas em torno do ponto de retorno indicariam uma clara contribuição do defeito

para deformação das linhas de campo magnético na região.

Figura 3 – Equipamento para medição do campo magnético

Figura 4 – Gaussímetro de Efeito Hall F.W. Bell Modelo 7030

Figura 5 – Controlador de motor de passo

16

Capítulo 4

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

Neste capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos na caracterização

das partículas da ferrita de bário e ferrita de estrôncio, bem como na caracterização magnética

dos discos de compósito.

4.1 CARACTERIZAÇÃO DOS PÓS DE FERRITA

4.1.1 Difração de Raios X (DRX)

As Figuras 6 e 7 apresentam os difratogramas de raios X para a ferrita de bário e de

ferrita de estrôncio, respectivamente. Os resultados mostram que os pós são constituídos por

BaFe12O19 e SrFe12O19, como fases majoritárias, e por óxido de ferro como fase secundária.

Verifica-se que a presença de óxido de ferro é mais marcante na amostra de ferrita de

estrôncio.

A presença de óxido de ferro se deve normalmente ao excesso do seu precursor que é

propositadamente adicionado no processo produtivo das ferritas. Sua presença acarreta numa

resposta magnética concorrente a da ferrita. Entretanto, para a aplicação pretendida a presença

de pequenas quantidades de óxido de ferro residual não deve implicar em nenhum prejuízo

para as propriedades do produto pretendido.

17

10 20 30 40 50 60 70 80

0

250

500

750

1000

1250

Inte

nsid

ad

e (

CP

S)

2

BaFe12

O19

Fe2O

3

Figura 6 – Difratograma de raios X das partículas do pós de ferrita de bário

10 20 30 40 50 60 70 80

0

250

500

750

1000

1250

SrFe12

O19

Fe2O

3

Inte

nsid

ad

e (

CP

S)

2

Figura 7 – Difratograma de raios X das partículas do pós de ferrita de estrôncio

18

4.1.2 Fluorescência de Raios X (FRX)

Os resultados de Fluorescência de Raios X (FRX) obtidos para os dois tipos de ferritas

estão apresentados na Tabela 1.

Tabela 1 – Composição química da ferrita de bário obtida por fluorescência de raios X

Ferrita de Bário Ferrita de Estrôncio

Elementos

Químicos

Composição

(% em peso)

Elementos

Químicos

Composição

(% em peso)

Fe 81.100 % Fé 89.739 %

Ba 17.724 % Sr 9.101 %

S 0.428 % S 0.447 %

Si 0.379 % Ba 0.404 %

Sr 0.369% Mn 0.267 %

V 0.040 %

Os resultados apresentados na Tabela 1 indicam que as relações em porcentagem em

peso para a ferrita de bário estão muito próximas a dos valores estequiométricos da

hexaferrita de bário. Deste modo, a presença de óxido de ferro residual pode ser atribuída a

desvios estequiométricos gerados durante o processo de fabricação. Por outro lado, os

resultados para a ferrita de estrôncio mostram um excesso de estrôncio superior a 3% em

peso, que associada a presença marcante de óxido de ferro residual identificada por difração

de raios-X, denotam que este processo de produção é mais sujeito a desvios de

estequiometria. O nível de impurezas verificado para os dois sistemas decorre do uso de

matérias-primas industriais e minérios contendo S, Si, Mn e V.

4.1.3 Microscopia Eletrônica de Varredura

A Figura 8 corresponde à microestrutura do compósito polimérico contendo ferrita de

bário. O modo de imagem por elétrons retro-espalhados permite verificar a presença de

aglomerados de ferrita não dispersos na matriz polimérica. Estes aglomerados foram

verificados sistematicamente em todo o volume do compósito inspecionado. A presença

destes aglomerados é indesejável, visto que, é de se esperar que a uniformidade e intensidade

19

da resposta magnética devem ser afetadas pela presença dos mesmos. Em termos práticos

estes aglomerados podem dificultar a diferenciação entre defeitos de pequenas proporções ou

a diferenciação de contornos mais delgados de alguns tipos de defeitos. Em torno dos

aglomerados é possível apreciar a presença dos reforços de fibras de vidro alinhadas na matriz

polimérica.

Figura 8 – Fotomicrografias de MEV obtidas para o compósito com ferrita de bário (10%).

A Figura 9 corresponde à microestrutura do compósito polimérico contendo ferrita de

estrôncio. Neste caso também se observou a presença de aglomerados de partículas, valendo

as mesmas implicações negativas discutidas para o caso anterior.

Nos dois sistemas, verificou-se que os pós são constituídos por partículas

micrométricas formando aglomerados com tamanhos superiores a 10 mícrons.

Figura 9 – Fotomicrografias de MEV obtidas para o compósito com ferrita estrôncio (10%).

A Figura 10, obtida por MEV, mostra partículas aglomeradas em agregados de

diferentes tamanhos para as ferritas de bário e de estrôncio, respectivamente.

20

a) b)

Figura 10 – Micrografia de MEV, a) ferrita de bário e b) ferrita de estrôncio

4.1.4 Medidas da Área Superficial Específica

A área superficial específica verificada para a ferrita de bário foi de 1,3928 m2/g. Para

a ferrita de estrôncio verificou-se um área superficial específica de 1,0283 m2/g. Os dois pós

apresentam áreas superficiais muito baixas, o que está de acordo com os resultados de

microscopia, que mostram a presença de aglomerados constituídos de partículas

micrométricas.

4.2 ENSAIOS DE CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA

Posteriormente a caracterização das partículas de ferrita de bário e ferrita de estrôncio

foram realizados os ensaios magnéticos dos discos de compósito de matriz polimérica.

As Figuras 11 a 14 apresentam os gráficos de campo magnético (Oe) perpendicular ao

plano das amostras versus distância (mm) para os entalhes I, II, III e IV, respectivamente,

conforme mostrados na Figura 1, presentes nos discos de compósito com adição de ferritas de

bário e de estrôncio. Os resultados indicam claramente a presença dos defeitos. O início e o

final de cada entalhe marcados nas figuras coincidem com as dimensões determinadas nos

discos. Os entalhes I, II, III e IV tem comprimentos, respectivamente, de 16 mm, 30 mm,

21

28mm e 32 mm, confirmando desta forma que o sinal de campo obtido é característico de

cada defeito.

Pode-se observar também a reprodutibilidade dos sinais medidos nos sentidos horário

e anti-horário. A inversão de sentido na rotação é indicada pela linha tracejada nos gráficos

das figuras. Observa-se ainda que o sinal medido nos discos com ferritas de bário apresentam-

se muito bem definidos, formando uma curva indicativa do início e final do defeito, gerando

uma assinatura característica. Os efeitos de área superficial específica das partículas, presença

de fases secundárias indesejáveis, formação de aglomerados e a resposta magnética intrínseca

de cada sistema deverão ainda ser melhor estudadas.

a) b)

Figura 11 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito I

a) Bário b) Estrôncio


22


Figura 13 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito III (10%)



As figuras 15 a 18 apresentam os resultados dos gráficos contendo 5% de partículas de

ferrita de bário e estrôncio. Onde não foi possível observar a resposta magnética com esse

percentual em massa.

23


Figura 15 – Gráfico de campo magnético (Oe) versus distância (mm) para o defeito I (5%)



24


Figura 17 – Gráfico de campo magnético(Oe) versus distância (mm) para o defeito III (5%)



25

Capítulo 5

5. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

A seguir, serão apresentadas as conclusões e algumas considerações sobre tópicos que

devem ser ainda investigados, como sugestões de trabalhos futuros.

5.1 CONCLUSÕES

Neste trabalho foram produzidos discos de compósitos de matriz polimérica

reforçados com fibra de vidro e com adição de partículas magnéticas de bário e de estrôncio.

Entalhes foram usinados nos discos para realizar as medições de variações de campo

magnético produzidas pela presença dos entalhes. Variações de sinal magnético foram

detectadas nas amostras de compósito de matriz polimérica aditivados com 10 % em peso de

ferrita de bário e de estrôncio. Para os compósitos com 5% de ferrita as variações de sinal

magnético não puderam ser correlacionadas com os entalhes nos discos. As imagens de MEV

indicaram a presença de aglomerados de partículas magnéticas em algumas regiões dos

discos, o que induz variações de sinais magnéticos mesmo na ausência de defeitos. Apesar

disto, nos compósitos com 10% de ferrita os sinais de variação de campo magnéticos devido

aos defeitos foram reprodutíveis e característicos para cada tipo de entalhe. Compósitos com

ferritas de bário apresentaram curvas com melhor correlação com a geometria dos entalhes

dos discos, bem como, com uma menor dispersão. Os resultados indicam que a técnica

proposta apresenta grande potencial para detecção de danos em compósitos de matriz

polimérica.

26

5.2. RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Tendo em vista o contexto das atividades desenvolvidas neste trabalho, bem como os

resultados obtidos, são propostos os seguintes trabalhos futuros:

- Realizar um estudo sobre o comportamento do compósito com partículas de ferrita de

bário e ferrita de estrôncio com tamanhos pequenos através da moagem de alta energia, bem

como a influência desta alteração nas propriedades magnéticas.

- Pesquisar outros tipos de ferrita ou outro mineral, a fim de proporcionar boas

propriedades magnéticas e que apresente um baixo custo.

- Desenvolver uma técnica de fabricação dos discos que permita uma maior

homogeneização das partículas de ferrita.

- Tratar os dados visando identificar características dos defeitos como dimensões,

geometria e profundidade.

27

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] SHELDON, R.P., Composite Polymeric Materials, ed.1, Applied Sci. Pub., England,

1982., citado por Alexandre Maneira dos Santos em seu “Estudo de compósitos híbridos

polipropileno / fibras de vidro e coco para aplicações em engenharia” Disponível em:

<http://www.pgmec.ufpr.br/dissertacoes/dissertacao_078_alexandresantos.pdf>. Acesso em

18 de Março de 2010.

[2] AMARO, A. M. Estudo do comportamento Mecânico de Materiais compósitos:

Utilização conjugada do Método de elementos Finitos e de Técnicas de Interferometria

Holográfica e Ultrasonoras. Tese de Doutoramento, FCTUC, 2003

[3] HUANG YD, FROYEN L, WEVERS M. Quality control and non-destructive test in

metal matrix composites. J Nondestr Eval 2001;20(3):113– 32.

[4] MIX P.E. Introduction to Nondestructive Testing. John Willey & Sons Inc., Austin,

Texas,2005.

[5] MACHADO, C.F.C. Ferritas de Bário: Síntese, Caracterização Física e Aplicação.

2008. Disponível em:<http://www.pfi.uem.br/mfi/m_disserta_teses.html>. Acesso em 21 de

Julho de 2010.

[6] A Petrobras no Rio Grande do Norte. Disponível em:

<http://cepenatal.com.br/petrobrasnorn>. Acesso em 13 de Setembro de 2010.

[7] AEA Technology Consulting, Temporary/permanent pipe repair – Guidilines. In:

Offshore Technology Report, 038, HSE Books, Oxfordshire, UK, 2001, 60p.

[8] JACOBSON G. Corrosion – A natural but controllable process.AMPTIAC Quart

2003;7(4).

http://www.pgmec.ufpr.br/dissertacoes/dissertacao_078_alexandresantos.pdf

http://www.pfi.uem.br/mfi/m_disserta_teses.html%3e..%20Acesso

http://cepenatal.com.br/petrobrasnorn%3e.%20Acesso

28

[9] LANEY, P., “Use of Composite Pipe Materials in the Transportation of natural Gas”,

Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, Fóssil Energy Technologies

Departament, 2002.

[10] FISHER FJ, SALAMA MM. Emerging and potential composite applications for

deepwater offshore operations. In: Wang SS, Williams JG, Lo KH, editors. Composite

materials for offshore operations –2. Houston, TX: American Bureau of Shipping; 1999. p.

33–49.

[11] Guia de End e Inspeção, Guia de métodos. Associação brasileira de Ensaios Não

Destrutivos e inspeção, São Paulo, 2008.

[12] MCMASTER R. C. Nondestructive Testing HandBook, The Ronald Press Company,

Vol. 2,New York, NY, 1963.

[13] GOLDMAN, ALEX. Modern ferrite Technology. Ferrite Technology. 2 ed. Pittsburgh-

USA: Springer, p. 52-70, 2005.

[14] H.KOJIMA, Ferromagnetic Materials, Edited by E.P. Wohlfarth, Vol. 3, (1982),

Chapter 5.

[15] GHENO, S. M., CORRÊA, R. R.; FILHO, P. I. P.; Domínios magnéticos em

hexaferrita de bário magnetizada progressivamente. Cerâmica, v. 51, p. 139-143, 2005.

[16] V. BABU, P. PADAIKATHAN, J. Magn. Magn. Mater. 241 (2002) 85.

[17] L. L. HENCH, J. K. WEST, Principles of Electronic Ceramics, John Wiley & Sons,

New York (1990) 305-309.

[18] SKOOGY, D. A.; LEARY, J. J. Principles of Instrumental Analysis. 5th ed., Saunders

College Publishing, USA, 1998.

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