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Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” “Facultad de Ingeniería Química y Metalurgia” Escuela Académico Profesional de Ingeniería Metalúrgica

MONOGRAFIA

“Ensayos no Destructivo por el Método de Ultrasonido” Presentado por: Yucra Vásquez Abigail Lady Chinchay Moreno Luis Angel Yauri Leon Noe Delao Lezameta Deivi

Asesor: Ing. Quito Luna Luis Enrique HUACHO – PERÚ 2015

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DEDICATORIA A nuestros padres por habernos apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que nos permiten ser personas de bien, pero más que nada, por su amor. Por los ejemplos de perseverancia y que nos a infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su amor. A mi Profesor-Asesor por su gran apoyo y motivación para la culminación de nuestros estudios profesionales, por su apoyo ofrecido en este trabajo, por habernos transmitido los conocimientos obtenidos y habernos llevado pasó a paso en el aprendizaje.

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AGRADECIMIENTO A la Facultad de Ingeniería Química y Metalúrgica, que es la casa que nos vio crecer profesionalmente, que a través de su plana docente nos dieron una buena formación profesional. A nuestro asesor el Ing. Luna Quito por brindarnos su apoyo para la culminación del trabajo monográfico, quien nos dio la mano ante cualquier duda encontrada en el transcurso del desarrollo de la monografía.

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INTRODUCCIÓN

Este método se basa en la medición de la propagación del sonido en el medio que constituye la pieza a analizar y tiene aplicación en todo tipo de materiales. Sus distintas técnicas permiten su uso en dos campos de ensayos no destructivos: Control de calidad

y

Mantenimiento

preventivo,

siendo

en

esta

última

especialidad muy utilizados en la aeronáutica por su precisión para determinar pequeñas fisuras de fatiga en, por ejemplo, trenes de aterrizaje, largueros principales, blocks de motores, bielas, etc. La manifestación de estas y otro tipo de fallas es la INTERPRETACION, generalmente en un osciloscopio, lo cual lo distingue de otros métodos, ya que no nos presenta un cuadro directo de las fallas, como en el caso de las películas radiográficas. Esto trae aparejado que los resultados de este ensayo no constituyan de por si un DOCUMENTO OBJETIVO sino una INFORMACION SUBJETIVA, cuya fidelidad no puede comprobarse sin recurrir, a menudo, a otros medios. Por lo tanto requiere un conocimiento profundo, tanto de las bases del método como del dominio de la técnica, por parte del operador.

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Figura 1. Medición de espesor en engranajes.

Figura 2. Búsqueda fisuras en control Tuberías.

Figura 3 – Mantenimiento: búsqueda de fisuras en superficie de control de materiales compuestos.

INDICE

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Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica DEDICATORIA……………………………………………………...……………………….…..…2 AGRADECIMIENTO……………………………………………………………………................3 INTRODUCCIÓN………………………..……………………………………………………….…4 ÍNDICE.…………………………….…………………………………………...………..…………..6 ENSAYO NO DESTRUCTIVO POR MÉTODO DE ULTRASONIDO……..…………..……...7 1. 2. 3. 4.

5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 6. 7. 8. 9. 10.

NOCIONES ACÚSTICAS…………………….………..………………………………….…....8 PRINCIPIOS BÁSICOS…………….……………………………………………………….….9 TIPOS DE ONDAS…………………………….………………………………..………..........11 GENERACIÓN DE ULTRASONIDOS…………………..…………………………..…...…..14 4.1 procedimientos mecánicos……………………………………………………………..…..14 4.1.1 efecto magnetoestrictivo…………………………………………………………….…...15 4.1.2 efecto piezoeléctrico…………….…………………………………………………..……15 4.1.3 caracterizacion del cabezal…………………………………………………………..…..17 PROCEDIMIENTOS DE ENSAYOS DE ULTRASONIDOS………..…................................23 Procedimiento de transmisión..…………………………………..............................................23 Procedimiento pulso-eco…………………….…………………………………………………25 transductores…………………………………………...............................................................29 block de calibracion………………………………………………………................................32 block escalonado...…………………………………………………..........................................32 cable coaxial……………………………………………………………………………………33 acoplantes………………………………………………………………………………………33 REQUISITOS Y SECUENCIA DE INSPECCIÓN DE ULTRASONIDO….…………….34 VENTAJAS DEL ULTRASONIDO INDUSTRIAL…………………………..……………38 LIMITACIONES DEL ULTRASONIDO……………..…………………………………….38 DESVENTAJAS DEL ULTRASONIDO…………………………………………………….39 NORMA IRAM–ISO 9712……………………………………………………………………39

*CONCLUSIONES……………………………………...…………………….……………….…..40 *BIBLIOGAFRIA……………………………………………………………..…………………...41 *ANEXOS………………………………………...……………………………….………………..42

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Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica ENSAYO NO DESTRUCTIVO POR MÉTODO DE ULTRASONIDO

1. NOCIONES ACÚSTICAS

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Con el fin de obtener una mejor comprensión de los fenómenos que ocurren en el ensayo no destructivo de ultrasonido se citarán algunos términos y principios básicos de la física que comprende la acústica: Primeramente debe destacar que no se utilizará la suposición de que los cuerpos son perfectamente rígidos, con lo cual se utilizará el siguiente modelo: La materia se encuentra formada por pequeñas moléculas cuya forma de distribución y fuerza de atracción depende del estado en que se encuentra dicha materia. Estos estados son los siguientes: Solido: Está formado por moléculas fuertemente atraídas entre si y que se encuentran distribuidas en forma

regular

equilibrio. Estas fuerzas de atracción

y

geométrica

en

posiciones

de

son del tipo elásticas, es decir, que

mientras no se sobrepase el llamado “Limite de Elasticidad”, las deformaciones que se produzcan no serán permanentes. Líquido: Cuando al suministrar calor a un sólido se rompe su estado se equilibrio entre sus moléculas esta pasa a estar en un estado líquido. Las moléculas en el estado líquido ocupan posiciones al azar que varían con el tiempo. Las distancias intermoleculares son constantes dentro de un estrecho margen. Gaseoso: Al seguir suministrando calor, las moléculas se acelera y dejan el liquido formando el gas. Este estado de la materia no tiene forma mi volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene. Si tomamos ahora un sólido y provocamos en él una perturbación (golpe por ejemplo) produciremos una agitación en sus moléculas que se propagará por el sólido hasta sus extremos, la llamaremos ONDA. Dicha onda puede ser estudiada a una distancia cualquiera de la fuente. Este tipo de ondas puede ser provocada en cualquier medio que sea ELASTICO, o sea, que cumpla con la ley de Hooke.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Cabe destacar que las ondas solo provocan la propagación de energía y no de materia, y eso se debe al acoplamiento de las partículas del medio en que viaja.

2. PRINCIPIOS BÁSICOS (TÉRMINOS) Oscilación (ciclos): Es el cambio periódico de la condición o el comportamiento de un cuerpo. Onda: Es una propagación de una oscilación y sucede cuando las partículas de un material oscilan transmitiendo su vibración a la adyacente. Periodo (T): Tiempo necesario para llevar a cabo una oscilación. Frecuencia (f): Es la inversa del período. Amplitud (A): Es la máxima desviación de oscilación, si esta es constante en el tiempo la oscilación se considera

como

desamortiguada

(para

materiales

perfectamente elásticos), en cambio si esta decrece con el tiempo, la oscilación se considera como amortiguada, en este caso la disminución de dicha amplitud se debe a la disipación de energía (cuando los materiales no son perfectamente elásticos). Amortiguación o Atenuación: es el decremento en el tiempo de la amplitud de una oscilación.

Velocidad de propagación: Es la velocidad a la que se propaga la onda que, en nuestro caso, es la velocidad del sonido (C), esta depende de las propiedades del material que hace de medio (las cuales se verán más adelante).

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Longitud de onda (λ): Es la distancia entre dos puntos adyacentes de condición de oscilación equivalente mirando en la dirección de propagación. SI el fenómeno se propaga con una velocidad V entonces se tiene que: O teniendo en cuenta la frecuencia: La siguiente imagen presenta una onda senoidal arbitraria con algunas de sus características principales.

Figura 4. Onda senoidal.

Frente de onda: Es el lugar geométrico en que los puntos del medio son alcanzados en un mismo instante por una determinada onda. Dada una onda propagandose en el espacio o sobre una superficie, los frentes de ondas pueden visualizarse co mo superficies o líneas que se desplazan a lo largo del tiempo alejándose de la fuente sin tocarse.

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Figura 5 – Frente de onda.

3. TIPOS DE ONDAS Las ondas pueden ser propagadas de distintas maneras, correspondiendo cada una de ellas al movimiento particular de los elementos del medio: Hay varios tipos de ondas ultrasónicas y son:  Longitudinales  transversales  Superficiales 3.1. ONDAS LONGITUDINALES: En este tipo de ondas el movimiento de las partículas en el medio es paralelo a la dirección de propagación. Por ejemplo la propagación en un resorte y la propagación del sonido.

Figura 6. Movimiento de un resorte.

Figura 7 – Propagación del sonido.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Estas son las ondas más utilizadas en ultrasonido porque, además de propagarse en cualquier medio, son fácilmente generadas y detectadas. Pueden ser orientadas y localizadas en un haz concentrado y poseen alta velocidad. 3.2.

ONDAS TRANSVERSALES: En este caso el movimiento de las partículas

es perpendicular a la dirección de la propagación de la onda, ejemplo el movimiento de una soga al agitarla o el agua ante una perturbación:

Figura 9–

Perturbación en superficie de líquidos

Ya que los líquidos y gases no ofrecen ninguna resistencia a los esfuerzos de corte, las ondas transversales no pueden ser propagadas en estos medios, entonces solo las ondas longitudinales pueden propagarse en líquidos y gases. Sin embargo en los sólidos pueden propagarse tanto

las

ondas

transversales

como

las

longitudinales

y

sus

combinaciones. 3 . 3 . ONDAS SUPERFICIALES O DE RAILEIGH: Son ondas que se propagan sobre las superficies de los sólidos de espesores relativamente gruesos penetrando aproximadamente una longitud de onda. Estas poseen la particularidad de que el movimiento de las partículas es una combinación de movimiento transversal y longitudinal realizando una elipse la cual el mayor ejes es el perpendicular a la dirección de propagación de la

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica onda. Estas ondas son utilizadas en el método de ultrasonido porque son particularmente sensibles a defectos en la superficie y son capaces de copiar posibles curvas que dichas superficies posean.

Figura 10 – ondas superficiales.

3.4.

ONDAS DE LAMB: Las ondas de Lamb aparecen en cuerpos cuyo espesor

es del mismo orden que una longitud de onda, por ejemplo en chapas delgadas. Estas se propagan paralelas a la superficie a través de todo el espesor de material. Son muy influenciadas por el espesor del material y la frecuencia de movimiento. Se generan cuando ingresan en el material a un ángulo de incidencia en el cual la componente de la velocidad paralela a la superficie de la pieza es igual a la velocidad de propagación del sonido en el mismo material, pudiendo viajar distancias de metros en el acero. Son utilizadas, generalmente, para escanear chapas, alambres y tubos. El movimiento de las partículas es similar al movimiento en elipse mencionado anteriormente generando dos modos principales de vibración, el llamado Simétrico o Modo extensional (moviéndose paralelas a la superficie simétricamente respecto al plano medio) y el Anti simétrico, o llamado Modo Flexional, el mayor movimiento de las partículas es

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica perpendicular a la superficie, en este modo la placa se flexiona. Las siguientes imágenes presentan los movimientos antes descritos.

Figura 11. Ondas de Lamb Asimétrica

Figura 12. Ondas de Lamb

Simétrica.

3.5.

Ondas de torsión: Este tipo de ondas puede propagarse en cuerpos con forma de barras, estas son oscilaciones rotacionales alrededor del eje longitudinal de la barra y la dirección de propagación se sitúa en la dirección del eje de la barra.

4. GENERACION DE ULTRASONIDO Existen numerosos medios de producción de ondas ultrasónicas, aprovechando diversos fenómenos físicos, algunos de los cuales sirven para los END, dependiendo de la frecuencia requerida y del rendimiento a obtener. El concepto básico es el de la conversión de pulsos eléctricos a vibraciones mecánicas y el retorno de vibraciones mecánicas a energía eléctrica. Estos métodos se pueden dividir en:

4.1.

PROCEDIMIENTOS MECÁNICOS

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica En principio son los mismos que los que se emplean para generar sonido audible. Son dispositivos capaces de oscilar que se construyen de tal manera que posean una frecuencia propia correspondientemente alta. Este procedimiento no se utiliza en la rama de ensayos no destructivos. 4.1.1. EFECTO MAGNETOESTRICTIVO Consiste en aprovechar la propiedad que tiene algunos materiales ferro magnéticos (especialmente el Níquel, además del acero) de contraerse o expandirse en determinada dirección cuando están sometidos a la influencia de campos magnéticos en condiciones especiales. Este efecto es reciproco, lo que permite a su vez emisión y recepción de la ondas ultrasónicas.

Figura 13– Esquema de generación por método magnetoestrictivo .

4.1.2. Efecto piezoeléctrico Este efecto es aprovechado casi universalmente para el ensayo no destructivo de materiales. Los elementos utilizados son, básicamente, una pieza de material polarizado (en cierta parte las moléculas es encuentran cargadas positivamente mientras

que

en

otra

parte

las

moléculas

se encuentran cargadas

negativamente) con electrodos adheridos a dos de sus caras opuestas. Cuando un campo eléctrico es aplicado a lo largo del material las moléculas polarizadas se alinearán con el campo resultando un dipolo inducido en la estructura cristalina.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Esta alineación de las moléculas causará un cambio dimensional, llamado electrostricción. A su vez puede darse la acción opuesta, es decir, producir un campo eléctrico cuando cambian de dimensión. Entre los materiales más conocidos en la utilización de cristales para los transductores se encuentran los siguientes: Cuarzo: Fue el primer material utilizado. Tiene características muy estables en frecuencia, sin embargo es pobre en la generación de energía acústica y, comúnmente, reemplazado por materiales las eficientes. Sulfato de Litio: Es muy eficiente como receptor de energía acústica, pero es muy frágil, soluble en agua y su uso es limitado a temperaturas debajo de los 75 °C. Cerámicas sintetizadas: Producen generadores de energía acústica más eficientes pero tienen tendencia a desgastarse. Generalmente el espesor del elemento activo (cristal) utilizado es determinado por la frecuencia de utilización del transductor. Cuanta más alta son las frecuencias requeridas, más delgados serán los cristales utilizados. El método de generación de ultrasonido permite alcanzar frecuencias de hasta 25Megaciclos por segundo (25MHz).

Figura 14 – Esquema de elementos piezoeléctricos.

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4.1.3. CARACTERISTICAS DEL CABEZAL El cabezal es una parte muy importante del instrumento de ultrasonido. Como se comentó anteriormente, es el que contiene el elemento piezoeléctrico que convierte la señal eléctrica en vibraciones mecánicas

en

energía

mecánicas

eléctrica

(Emisión)

y

las

vibraciones

(Recepción). Algunos factores, como la

construcción mecánica y eléctrica, afectan el comportamiento del cabezal. La construcción mecánica incluye parámetros como la superficie de radiación, el amortiguamiento propio, el encapsulado, el conexionado, entre otros. La siguiente figura presenta un corte típico de un cabezal:

Figura 15 – Esquema de cabezal ultrasónico.

El elemento piezoeléctrico es cortado a la mitad de la longitud de onda deseada. Para obtener la mayor energía de salida posible se coloca una lámina de 1/4 de la longitud de onda con una impedancia determinada entre la cara del cabezal y el cristal piezoeléctrico. Esta lámina genera que todas las ondas que salen del cabezal lo hagan en fase.

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Figura 16 – Esquema de láminas de protección del cabe zal.

Los cabezales de contacto incluyen una lámina que protege los elementos internos de ralladuras. El material de apoyo (Señalado en rojo en la figura anterior) tiene una gran influencia en las características de amortiguamiento del cabezal. Utilizar un material de apoyo con una impedancia similar a la del elementos piezoeléctrico producirá un amortiguamiento lo más eficiente posible, por lo que el cabezal tendrá un ancho de banda de trabajo más amplio y una mejor sensibilidad. Cuando la diferencia de impedancia entre ambos materiales aumenta la penetración aumenta pero la sensibilidad se reduce. Los cabezales están construidos para soportar cierto maltrato, pero se recomienda manipularlos con cuidado ya que un mal uso, como golpes puede quebrar la lámina de protección o el material de apoyo, daño que será evidente en la lectura del ensayo. 4.1.3.1.

Longitud de onda y detección de defectos

En un ensayo de ultrasonido en usuario tiene que decidir qué frecuencia utilizar y, como ya se vio antes, un cambio en la frecuencia de la onda produce un cambio en la longitud de onda del sonido, ya que la velocidad es constante. Por otro lado, la longitud de onda del ultrasonido utilizado tiene un efecto significante en la probabilidad de detectar discontinuidades. Una regla general es que una

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica discontinuidad debe tener un largo de, por lo menos, la mitad de la longitud de onda para tener una probabilidad razonable de ser detectada. La sensibilidad y la resolución son dos términos comúnmente utilizados en la inspección con ultrasonido. Sensibilidad es la capacidad de localizar pequeñas discontinuidades en el ensayo, esta, generalmente, se incrementa al incrementar la frecuencia (disminuye la longitud de onda). Resolución es la capacidad del sistema de detectar fisuras que se encuentran muy próximas o muy cerca de los bordes, este parámetro también aumenta cuando se incrementa la frecuencia. Pero el aumentar la frecuencia puede afectar la capacidad del instrumento de forma adversa debido a que las ondas de sonido tienden a dispersarse en materiales con estructura de granos gruesos como las piezas fundidas. A su vez, dicho aumento de frecuencia genera una reducción en el poder de penetración de la medición. Por lo tanto para seleccionar una óptima frecuencia de inspección se deben hacer un balance entre los resultados favorable y los desfavorables de la selección, antes de seleccionar dicha frecuencia se deben tener en cuenta el tamaño de grano, el espesor de la pieza, el tipo de discontinuidad, tamaño y probable localización.

Cabe destacar que hay otros parámetros que también influyen en la capacidad del equipo, estos son: la longitud del pulso aplicado, el tipo y voltaje aplicado al cristal, las propiedades del cristal, el material y el diámetro del cabezal, el circuito de procesamiento de datos del instrumento.

4.1.3.2.

Eficiencia, ancho de banda y frecuencia del cabezal.

Algunos cabezales son construidos con mayor eficiencia para transmitir y otros con mayor eficiencia para recibir. A menudo un cabezal con un buen rendimiento para una aplicación no es el adecuado para otras aplicaciones.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Es importante entender el ancho de banda o rango de frecuencias de un cabezal. Todos los cabezales poseen

una

frecuencia

central

que

depende

principalmente del material de apoyo y del cristal utilizado. Cabezales con alto amortiguamiento responderán a una amplia gama de frecuencias con un alto poder de resolución, en cambio, cabezales con menor amortiguamiento tendrán un rango estrecho de frecuencias y pobre poder de resolución, pero mayor penetración. La frecuencia central define las capacidades del cabezal, frecuencias bajas, del orden de 0,5 MHz a 2,25 MHz proveen mayores energías y penetración en el material, mientras que para cristales de altas frecuencias, del orden de 15 MHz a 25 MHz se reduce la penetración pero poseen gran sensibilidad para detectar pequeñas discontinuidades. 4.1.3.3.

Campo de radiación del cabezal

El sonido emitido por un cabezal piezoeléctrico no se origina desde un punto sino que se origina desde la superficie del elemento piezoeléctrico. El campo de sonido emitido por un transductor típico se presenta en la siguiente figura, puede observarse cualitativamente la intensidad del sonido con la ayuda de la gama de colores en la cual los más claros corresponden a intensidades más altas.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Figura 17 – Esquema cualitativo de intensidades de sonido emanadas por un cabe zal piezoeléctrico.

Dado que las ondas de ultrasonido se generan desde un número de puntos en el plano del elemento piezoeléctrico la intensidad es afectada por efectos de interferencia entre dichos puntos, como se mencionó en apartados anteriores. Esta interferencia genera fluctuaciones que se extienden en el campo cerca del cabezal, esta zona es llamada Campo Cercano o ZONA MUERTA y puede ser extremadamente difícil detectar discontinuidades en el material.

Las ondas de presión se convierten en uniformes hacia el final del campo cercano. Esta zona del haz más uniforme recibe el nombre de Campo Lejano y la transición ocurre a una distancia N en la que la amplitud de las ondas varía significativamente a un patrón mucho más suave. Para anular este efecto indeseado se suelen utilizar accesorios que se presentan en los siguientes apartados.

Figura 18 – Esquema cualitativo de intensidades de sonido emanadas por un cabe zal piezoeléctrico.

4.1.3.4.

TIPOS DE CABEZALES

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Figura 19 – Esquema cualitativo de intensidades de sonido emanadas por un cabe zal piezoeléctrico

Como ya se mencionó anteriormente, los cabezales son fabricados para varias aplicaciones específicas, por lo tanto hay que prestar especial atención a la elección parámetros como la frecuencia deseada, ancho de banda y el enfoque del mismo según la necesidad. Estos se clasifican según la aplicación.

Cabezales de contacto Son utilizados para las inspecciones que necesitan contacto con la pieza y son, generalmente, manipulados a mano. Estos poseen sus componentes protegidos por una carcasa ergonómica y una interfase que impide el desgaste de la cara que roza con las piezas a analizar. Requieren de un medio de acople como grasas, aceites o agua para remover la película de aire entre el cabezal y el componente analizado.

5. PROCEDIMIENTO DE ENSAYOS DE ULTRASONIDO

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica 5.1.

Procedimiento de transmisión

Este procedimiento evalúa la parte del ultrasonido que se ha transmitido a través de la pieza a ensayar. A un lado de la pieza se aplica el emisor y al otro el receptor. En presencia de un defecto la intensidad sonora en el receptor disminuye a causa de la reflexión parcial o ose hace nula en caso de reflexión total. Lo mismo da que se emplee sonido continuo

o impulsos de sonido para el ensayo ya que el

emisor y el receptor se encuentran separados entre sí. En este ensayo no se puede determinar la profundidad a la que se encuentra localizado el defecto de la pieza. Es necesaria una exacta alineación entre el emisor y el receptor

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Figura 20 – Visualización en procedimiento de transmisión.

5.2. Procedimiento Pulso-Eco

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Este procedimiento utiliza la porción reflejada del sonido para evaluar los defectos. El cabezal piezoeléctrico funciona tanto como emisor como receptor. Como la energía recibida es mucho más débil que a emitida, aquí no puede operarse sobre la base de sonido continuo, se emplean exclusivamente impulsos de sonido. Un impulso eléctrico de cortísima duración genera una análoga onda ultrasónica, inmediatamente después, mientras aún se está propagando la onda el mismo oscilador está listo para la recepción. La onda penetra el material hasta que, como resultado de una superficie limite, tiene lugar una reflexión total o parcial. Si la superficie reflectante se encuentra perpendicular a la dirección de propagación de la onda, esta se refleja en su dirección primitiva y, al cabo de un tiempo llega de vuelta al oscilador siendo reconvertida en un impulso eléctrico. Pero no toda la energía que regresa es reconvertida, sino que en la interfaz entre el cabezal y la superficie de la pieza tiene lugar una nueva reflexión, por lo que una parte menor del sonido vuelve a atravesar la pieza por segunda vez y así sucesivamente.

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Figura 21 – Visualización en procedimiento pulso - eco.

Debe tenerse en cuenta que no solamente las superficies límites generan ecos múltiples sino que también los defectos lo hacen. Puesto que se puede medir el tiempo de recorrido y se conoce la velocidad del sonido en el medio ensayado este método permite establecer la distancia que existe entre el cabezal y las superficies reflectantes, sean estas superficies de la pieza o discontinuidades internas. Por eso este método es muy utilizado, a la vez que solo existe una superficie de acoplamiento por lo que resulta mucho más sencillo mantener constante el acoplamiento.

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Figura 22 –

Visualización en procedimiento pulso - eco con fisura.

5.2.1. Equipo básico pulso-eco  La mayoría de los sistemas de inspección ultrasónica incluye el siguiente 

equipo básico: Un generador electrónico de señales que produce pulsos eléctricos de corta



duración. Un palpador (transductor) que emite el haz de ondas ultrasónicas cuando



recibe los pulsos eléctricos. Un acoplante que transfiere las ondas del haz ultrasónico a la pieza de



prueba. Un palpador (que puede ser el mismo que se utilizó para emitir las ondas de ultrasonido) para aceptar y convertir las ondas de ultrasonido de la pieza de



prueba a pulsos eléctricos. Un dispositivo electrónico para amplificar y si es necesario, desmodular o de otra manera modificar las señales del transductor.

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Un dispositivo de despliegue para indicar las características o marcas de salida de la pieza de prueba, el dispositivo puede ser un tubo de rayos



catódicos (TRC), pantalla electroluminiscente o de cuarzo líquido. Un reloj electrónico o contador (timer) para controlar la operación de los componentes del sistema, para servir como punto de referencia primario, y para proporcionar coordinación del sistema completo.

Figura 23 Equipo ultrasónico pulso-eco detector de fallas.

5.3.

TRANSDUCTORES

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra diferente de salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza, aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en las ciencias eléctricas para obtener la información de entornos físicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores pueden ser clasificados en los siguientes grupos de acuerdo a:

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica 1. 2. 3. 4.

Forma de propagar el haz ultrasónico: haz recto y haz angular. Técnica de inspección: de contacto y de inmersión. Número de cristales: un cristal, 2 cristales o dual y de cristales múltiples. Grado de amortiguamiento: de banda ancha, banda angosta

amortiguamiento interno. 5. Aplicaciones especiales: transductores libres,

y de

súper amortiguados,

puntuales, periscópicos y con línea de retardo.

Figuran 24 herramientas de aplicaciones especiales

5.3.1. DIFERENTES TIPOS DE TRANSDUCTORES.

El transductor de haz angular: puede ser de dos tipos: como una unidad integral ó desmontable (transductor de haz recto y zapata). Una cuña de plástico entre el elemento piezoeléctrico y la superficie de contacto establece el ángulo de incidencia de la unidad de rastreo. La cuña debe diseñarse para reducir o eliminar las interferencias internas dentro de la cuña que pueden traer como resultado ecos falsos. Transductores de contacto: Estos transductores son colocados directamente sobre la superficie de inspección utilizando un medio de acople y presionando el transductor sobre la misma para que puedan ser transmitidas las ondas ultrasónicas.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica Transductores de inmersión: La transmisión del ultrasonido desde el transductor a la pieza bajo prueba se efectúa a través de una columna de líquido, es decir, sin que exista contacto directo, presión o rozamiento entre el transductor y la pieza. Transductor normal de un solo cristal (emisor y receptor): Este tipo de transductor contiene un solo cristal piezoeléctrico que realiza las funciones de emisor y receptor y cuyas características fueron descritas anteriormente en los transductores de haz recto. Transductor dual o de doble cristal: Un transductor dual está compuesto en sí por dos cristales completamente independientes, incorporados en una misma carcasa. Uno trabaja como emisor y el otro como receptor. Transductor de cristales múltiples: Está compuesto por tres o más cristales y diseñado para aplicaciones especiales tales como:   

Medida simultánea de varios espesores. Inspección de superficies curvas. Inspección de muestras grandes. En el primer caso, está formado por varios transductores dúplex (emisor-receptor), con diferentes inclinaciones y frecuencias



Transductor de banda ancha. Presentan gran resolución, pero menor sensibilidad



y capacidad de penetración. Transductor de banda angosta. Presentan buena capacidad de penetración y



sensibilidad pero una resolución relativamente pobre. Transductor de amortiguamiento intermedio. Para aplicaciones generales.

5.4. BLOCK DE CALIBRACIÓN. El ensayo ultrasónico es un método de inspección por comparación, es decir, las indicaciones delas discontinuidades son comparadas con las indicaciones

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica obtenidas en los patrones de referencia. Los bloques patrones son usados para estandarizar la calibración del equipo y evaluar en forma comparativa las indicaciones obtenidas de la pieza de ensayo. Los patrones de referencia están hechos de materiales debidamente seleccionados para garantizar su sanidad interna y que satisfagan los requisitos de atenuación, tamaño de grano y tratamiento TÉRMICO. 5.5. BLOCK ESCALONADO El block de escalones1 sirve para efectuar calibraciones cuando se requiere un alto grado de exactitud en la determinación de espesores de pared: para la verificación del desgaste que se ha tenido, por ejemplo, una tubería en servicio. El número de escalones así como el intervalo de sus incrementos respectivos estará en función del límite de calibración deseado. El transductor de doble cristal o dúplex y este tipo de bloque es la clásica combinación, usando un equipo ultrasónico tipo pulso-eco con barrido tipo "A".

Figuran 25

Block de

Calibración de 5 pasos.

5.6.

CABLE COAXIAL

Un accesorio del sistema de ultrasonido es el cable coaxial, el cual en sus extremos posee conectores los cuales unen al instrumento y al transductor. Los tipos de conectores más comunes son:

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Microdot: para transductores muy pequeños (con rosca). BNC: de medio giro. UHF: para muy alta frecuencia (con rosca), usado en inmersión. Lemo: de media presión, los hay en dos tamaños: 0 y 00. Tuchel: en la actualidad fuera de uso.

Figuran 26 Diferentes tipos de cables y conectores.

5.7.

ACOPLANTES Los acoplantes normalmente usados para la inspección por contacto

son agua, aceites, glicerina, grasas de petróleo, grasa de silicón, pasta de tapiz y varias sustancias comerciales tipo pasta. Pueden usarse algunos plásticos suaves que transmiten las ondas de sonido donde puede lograrse un buen acoplamiento aplicando presión con la mano a la unidad de rastreo.

3.7.1. Selección y uso de los acoplantes La técnica ultrasónica necesita de un acoplante adecuado para transmitir el ultrasonido entre el transductor y la pieza de prueba. El acoplante puede ser líquido, semilíquido o pastoso con las características siguientes: 1. Proporcionar un acoplamiento acústico positivo para una prueba confiable (amplitudes de ecos de pared posterior consistentes). 2. Mojar la superficie de la pieza de prueba y la cara del transductor, excluyendo el aire entre ellas. 3. Pueda ser fácilmente aplicado.

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6. REQUISITOS Y SECUENCIA DE LA INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO INDUSTRIAL.

Antes de iniciar una inspección por UT, es necesario definir los siguientes parámetros, a fin de hacer una correcta selección del equipo de trabajo.  Cuál es el tipo de discontinuidad que puede encontrarse.  Qué extensión y orientación puede tener en la pieza.  Qué tolerancias se pueden aplicar para aceptar o rechazar la indicación. En la inspección de soldaduras se utiliza generalmente el método de pulso-eco en la presentación SCAN-A. Este sistema (SCAN-A) utiliza un tubo de rayos catódicos que muestra la información del ensayo. Todas las normas exigen que el instrumento de inspección ultrasónica sea revisado y, en caso necesario, recalibrado por un taller de servicio autorizado por el fabricante. Este último punto es de vital importancia si se está trabajando bajo códigos o normas de aceptación internacional como AWS o ANSI/ASME. Con base en lo anterior, antes de adquirir un equipo, es recomendable visitar al proveedor y comprobar que cuenta con la licencia por parte del fabricante para dar el servicio de mantenimiento preventivo y correctivo al equipo. A continuación se deben seleccionar el palpador y el cable coaxial a ser empleados: Los cables son del tipo coaxial para prevenir problemas de interferencia eléctrica y sus conexiones deben ser compatibles con las del instrumento y el transductor a emplear. Por lo común, las normas establecen las condiciones mínimas que deben cumplir los transductores. En la inspección por ultrasonido se utiliza por lo general ondas longitudinales (haz recto) u ondas transversales (haz angular). Las frecuencias más comúnmente utilizadas son de 1 a 5 MHz con haces de sonido o ángulos de 0º, 45º, 60º y 70º. En la inspección con haz recto; el sonido es transmitido perpendicularmente a la superficie de entrada del sonido.

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Figuran 27 Inspección mediante ultrasonido industrial con haz recto.

Figuran 28

Inspección mediante ultrasonido industrial con haz recto.

En la mayoría de las inspecciones de soldaduras, que se efectúan utilizando la técnica de haz angular, idealmente solamente aparecerán en el TRC señales originadas por discontinuidades durante la inspección.

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Figuran 29 Inspección mediante ultrasonido industrial con haz angular.

Es frecuente su empleo para la medición de espesores, detección de zonas de corrosión, detección de defectos en piezas que han sido fundidas forjadas, roladas o soldadas; en las aplicaciones de nuevos materiales como son los metal cerámicos y los materiales compuestos, ha tenido una gran aceptación, por lo sencillo y fácil de aplicar como método de inspección para el control de calidad. Las nuevas tendencias indican que su campo de aplicación se mejorará con el apoyo de las computadoras para el análisis inmediato de la información obtenida.

Figuran 30 Medición de espesores con transductor focalizado en zonas de corrosión externa para obtener espesores remanentes.

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Figuran 31 Barrido ultrasónico con equipo ultrasónico de arreglo de fases.

7. VENTAJAS DEL ULTRASONIDO INDUSTRIAL.

 Se detectan discontinuidades superficiales y subsuperficiales.  Puede delinearse claramente el tamaño de la discontinuidad, su localización y su orientación.  Sólo se requiere acceso por un lado del material a inspeccionar.  Tiene alta capacidad de penetración y los resultados de prueba son conocidos inmediatamente. 8.

LIMITACIONES DEL ULTRASONIDO INDUSTRIAL.

 Está limitado por la geometría, estructura interna, espesor y acabado superficial de los materiales sujetos a inspección.  Localiza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz de sonido.  Las partes pequeñas o delgadas son difíciles de inspeccionar por este método.  El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibilidad y de sofisticación requerido.  El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor entrenamiento y experiencia para este método que para cualquier otro de los métodos de inspección.

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica  La interpretación de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y experiencia de parte del operador.

9. DESVENTAJAS DEL UNTRASONIDO

 Esta limitado por la geometria, estructura interna, espesor y acabado superficial de los materiales sujetos a inspeccion.  Lacaliza mejor aquellas discontinuidades que son perpendiculares al haz del sonido.  Las partes pequeñas o delgadas son dificiles de inspeccionar por este metodo.  El equipo puede tener un costo elevado, que depende del nivel de sensibilidad y de satusfaccion requerido.  El personal debe estar calificado y generalmente requiere de mucho mayor entrenamiento y experiencia para este metodo que para cualquier otro de los metodos de inspeccion.  La interpretacion de las indicaciones requiere de mucho entrenamiento y experiencia de parte del operador. 10.

NORMA IRAM–ISO 9712 con la implementacion de la norma iso 1912 a partir del año 1993 se tiende a

unificar internacionalmente los criterios de calificacion y certificacion de personal de ensayos no destructivos, produciendose cambios y adaptaciones de los diferentes sistemas hasta ese momento utilizados, por ejemplo la ASNT crea el Sistema de Calificacion Central. Esto incluye todos los procedimientos necesarios para demostrar la calificacion de una persona para un metodo de END y que conducen a un testimonio escrito sobre su calificacion, con la asistencia de entidades calificadoras debidamente autorizadas. Actualmete esta a discusión publica la Norma IRAM- ISO 9712-1999.

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CONCLUSION El estudio de ultrasonido en los materiales es muy importante en nuestro campo de accion como petroleos, debido a su utilizacion se a optimizado de manera muy eficaz la produccion de hidrocarburos remediando el estado las tuberias de produucion, oleoductos o tanques de almacenamiento que presenten daños internos o externos ya sea por falla mecanica, corrosion, etc

BIBLIOGRAFIA

Universidad Nacional “José Faustino Sánchez Carrión” Ingeniería Metalúrgica     

https://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonido https://es.wikipedia.org/wiki/Inspecci%C3%B3n_por_ultrasonido http://html.rincondelvago.com/ultrasonidos_1.html http://www.epandt.com/es/services_ut_es.html https://www.google.com.pe/search?



q=ensayo+por+ultrasonido&client=aff-maxthonhttp://www.monografias.com/trabajos60/inspeccion-ultrasonido-



materiales/inspeccion-ultrasonido-materiales.shtml http://es.scribd.com/doc/86928330/ensayo-no-destructivo-

 

Ultrasonido#scribd http://html.rincondelvago.com/ultrasonidos_1.html http://www.epandt.com/es/services_ut_es.html

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ANEXOS

A-1

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A-2

A-3

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A-4