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Partículas Magnéticas Ing. Daniel Merino Ponce. ASNT NDT LEVEL III - MT.

ENSAYO DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS 1.- CONCEPTOS GENERALES a) Definición

Es un tipo de ensayo no destructivo que nos permite detectar discontinuidades de tipo superficiales y subsuperficiales en materiales ferromagnéticos (Hierro, Níquel, Cobalto, casi todos los aceros, etc.) que son materiales fuertemente atraídos por campos magnéticos. I M A N

Ferromagnéticos

Paramagnéticos Diamagnéticos

 Se aplica principalmente en la inspección de los siguientes elementos:

   

Uniones soldadas Elementos de máquinas Piezas fundidas Piezas forjadas

b) Características generales de los imanes  Un imán se caracteriza por la presencia de sus dos polos magnéticos (Norte y Sur). El campo magnético fluye de sur a norte al interior del imán y de norte a sur en el exterior.

 Polos iguales se atraen y polos opuestos se repelen

Las fuerzas de atracción o repulsión se manifiestan en los polos del imán.

 Un imán no puede dividirse en dos partes (Polo Norte y Polo Sur), ya que al ejecutar la división tenemos como resultado dos imanes más pequeños.

 Al juntar nuevamente las dos partes del imán se presentan los llamados campos de fuga o flujos dispersos.

c) Principio del ensayo

Este ensayo se basa en la detección de los campos de fuga que producen las discontinuidades superficiales y subsuperficiales de un material ferromagnético, cuando se le aplica un campo magnético de alta intensidad. Una condición importante es que las discontinuidades sean perpendiculares a las líneas de fuerza del campo magnético

SIN DISCONTINUIDAD

CAMPO DE FUGA EN UNA DISCONTINUIDAD

DETECCIÓN DEL CAMPO DE FUGA

DISCONTINUIDAD PARALELA AL CAMPO MAGNÉTICO

 La sensibilidad del ensayo es mayor para las discontinuidades superficiales que para las subsuperficiales, disminuyendo rápidamente hacia el interior de la pieza.  Con una magnetización adecuada se puede detectar discontinuidades hasta profundidades de 6 mm.  Las partículas magnéticas se acumulan en los campos de fuga de la pieza magnetizada, revelando la presencia de discontinuidades.

d) Ventajas

 Detecta discontinuidades superficiales y subsuperficiales CAMPO DE FUGA  Proporciona resultados en forma inmediata  Más económico que Líquidos Penetrantes e) Limitaciones  Solo es aplicable en materiales ferromagnéticos  Piezas de geometría complicada pueden dificultar la inspección haciéndola no confiable.

2.- FUNDAMENTOS Este ensayo se basa en los principios del electromagnetismo (magnetización del elemento a inspeccionar) y en las propiedades magnéticas de los materiales involucrados (pieza y partículas). 2.1 Electromagnetismo

a) Intensidad de campo o fuerza magnetizante (H) Es la fuerza que tiende a establecer un flujo magnético en un circuito magnético. Esta fuerza se mide en Oersted (Oe), Weber (Wb), Amperio / metro (A m-1).

1 Wb = 108 líneas de flujo

b) Densidad de flujo o inducción (B)

 Determinada por el número de líneas de flujo por unidad de área tomadas en ángulo recto a la dirección del flujo. Se mide en Gauss (G), Tesla (T).

1 T = 1 Wb / m2  B es proporcional a H y al factor de proporcionalidad se lo denomina permeabilidad magnética (μ).

B=μH  Los materiales ferromagnéticos poseen alta permeabilidad magnética.

 En resumen se puede afirmar que H es la fuerza que tiende a magnetizar un cuerpo. B es el campo magnético inducido en ese cuerpo y que a mayor valor de μ, mayor será el valor de B

c) Magnetización circular

 Se produce cuando hacemos circular una corriente eléctrica por un conductor y se utiliza para detectar discontinuidades longitudinales.

d) Magnetización lineal  Se produce cuando hacemos circular una corriente eléctrica por una bobina arrollada sobre un conductor y se utiliza para detectar discontinuidades transversales.

e) Tipos de corriente

 Los tipos de corriente más utilizadas para la magnetización de componentes son las siguientes:    

Corriente alterna monofásica (CA) Corriente continua (CC) Corriente rectificada onda completa trifásica (CROCT) Corriente rectificada media onda monofásica (CRMOM)

f) Corriente alterna monofásica (CA)

 Se distribuye en la superficie del conductor (poca penetración).  Genera alta movilidad de las partículas magnéticas.  El campo magnético inducido se caracteriza por ser superficial, vibrante y a menor frecuencia se tiene mayor penetración de campo.  Útil para detectar discontinuidades superficiales

g) Corriente continua (CC) I

t

Se distribuye en todo el conductor El campo magnético inducido se caracteriza por ser superficial, e interno y sin vibración. Resulta útil para la detección de discontinuidades superficiales y subsuperficiales.

h) Corriente rectificada onda completa trifásica (CROCT)

 Se distribuye en todo el conductor

 El campo magnético inducido se caracteriza por ser superficial, e interno y prácticamente sin vibración.  Útil para detectar discontinuidades subsuperficiales

i) Corriente rectificada media onda monofásica (CRMOM)

 Su distribución en el conductor está en función de la frecuencia de la CA.  El campo magnético inducido se caracteriza por ser superficial, e interno y del tipo pulsante  Presenta la mayor sensibilidad del ensayo y es muy útil para detectar discontinuidades subsuperficiales.

j) Comparación de sensibilidad de corriente I

CA

CC

CROCT CRMOM

1.5

3.0

4.5

6.0

I = Corriente de magnetización (Amperios) P = Profundidad de discontinuidad artificial (mm)

P

PROBETA PARA ENSAYO DE SENSIBILIDAD

b) Histéresis magnética

 Debido a que B no es linealmente proporcional a H (μ ≠ Cte.) y a que los materiales tienen un punto de saturación, se producen los ciclos de histéresis.

o - b = Retentividad (Br) o - c = Fuerza coercitiva (Hc) a = Punto de saturación o - h = Reluctancia magnética

h

c) Tipos de ciclos de histéresis  El ciclo de histéresis es propio de cada material y su forma nos da las características magnéticas del mismo

   

Curva delgada Baja retentividad Alta permeabilidad Baja reluctancia Baja fuerza coercitiva

   

Curva ancha Alta retentividad Baja permeabilidad Alta reluctancia Alta fuerza coercitiva

3.- ETAPAS DEL ENSAYO  Limpieza previa  Establecer un campo magnético circular  Evaluación de indicaciones longitudinales  Establecer un campo magnético longitudinal  Evaluación de indicaciones transversales  Desmagnetización  Limpieza final

5.- INDUCIR UN CAMPO MAGNÉTICO CIRCULAR Permite detectar discontinuidades orientadas entre 45° y 90° con respecto a las líneas de fuerza magnética. La orientación de las discontinuidades, con respecto a la muestra, es longitudinal

F, G, H, C,D,E

6.- INDUCIR UN CAMPO MAGNÉTICO LONGITUDINAL Permite detectar discontinuidades orientadas entre 45° y 90° con respecto a las líneas de fuerza magnética. La orientación de las discontinuidades, con respecto a la muestra, es circular.

J, K, L,M,N

7.- DETECCIÓN Y EVALUACIÓN DE INDICACIONES Después de cada tipo de magnetización se deberán evaluar las indicaciones detectadas  Existen dos métodos básicos de inspección:  Método continuo  Método residual 7.1 Método de inspección continua Las partículas se aplican a la superficie de la pieza mientras se induce el campo magnético

Discontinuidades transversales

 Puede hacerse con partículas secas o en suspensión (vía húmeda).  El disparo magnetizante debe realizarse después de haber aplicado las partículas en la superficie:  Esto asegura que las partículas estén sobre la superficie de inspección cuando se induce el campo magnético.  En caso contrario se ocasiona una distribución no homogénea de las partículas (enmascaramiento de indicaciones)

 Este método tiene la mayor sensibilidad para la detección de discontinuidades.  Es muy adecuado para aceros de bajo carbono o en estado de globulizado (materiales de baja retentividad).

7.2 Método de inspección residual Este método se aplica cuando el campo magnético residual es lo suficientemente alto para formar indicaciones claras después de haber magnetizado el elemento a inspeccionar.

Usado en aceros de alto carbono o templados y revenidos (materiales de alta retentividad). Es menos sensible que el método continuo. Requiere de tiempo para formar las indicaciones. Método no adecuado para la detección de discontinuidades subsuperficiales Se puede mejorar la sensibilidad del ensayo con el uso de fluorescentes

partículas

7.3 Evaluación de discontinuidades Implica la interpretación adecuada de las indicaciones:  Tipo de discontinuidad (porosidad, fisura, socavación, etc.)  Tamaño de la discontinuidad.  Localización de la discontinuidad (reparaciones, etc.) El tipo y magnitud de la discontinuidad se comparan con los requerimientos de inspección.

Del resultado de la comparación se establecerá el grado de confiabilidad del componente inspeccionado.  Aceptar.  Reparar.  Descartar.

8.- DESMAGNETIZACIÓN Se realiza después de que todas las indicaciones han sido inspeccionadas. El campo residual debe ser longitudinal (la magnetización longitudinal se realiza después de la circular). La desmagnetización es requerida en los siguientes casos:  El campo magnético residual puede afectar el empleo de instrumentos electrónicos.  Operaciones de maquinado posterior ocasionaran que la viruta se adhiera a la superficie ( rectificados, etc.).

 La adherencia de virutas en la superficie puede afectar operaciones de recubrimiento superficial ( pintado, zincado, etc.).  La adherencia de partículas abrasivas en la superficie puede acelerar desgaste en elementos que soportan fricción en servicio (engranajes, rodamientos, etc.).

9.- LIMPIEZA FINAL El objetivo es retirar restos de los materiales usados en la inspección para que no interfieran con el uso posterior de la pieza inspeccionada. Cuando se emplean partículas en suspensión, puede secarse la película líquida sobre la superficie, dificultando la limpieza.  Los principales métodos de limpieza son los siguientes:  Uso de solventes cuando se emplean partículas suspendidas en aceite.

 Uso de agua cuando se emplean partículas suspendidas en agua.  Uso de Detergentes, vapor desengrasante, ultrasonido, etc.

10.- TÉCNICAS DE MAGNETIZACIÓN Existen varias técnicas para inducir un campo magnético en el componente que se desea inspeccionar. Estas técnicas se clasifican en dos grandes grupos: . Electroimán

 Mediante Yugos . Imán permanente

. Puntas de contacto . Contacto directo  Mediante corriente eléctrica

. Bobina . Conductor central

10.1 MAGNETIZACIÓN CON YUGO  Un electroimán está formado por una bobina de alambre de cobre arrollada sobre un núcleo de chapas de Hierro-Silicio (material de baja retentividad y alta permeabilidad) en forma de “U”

 Con yugos se obtiene un campo magnético longitudinal.  Las patas del yugo pueden ser articuladas o fijas (imanes permanentes.  La intensidad del campo magnético se determina por la fuerza de levante del yugo: Tipo de

Corriente AC

DC

Separación entre polos (mm)

50 a 150 45 N 50 a 100 135 N

100 a 150 225 N

Se recomienda verificar el yugo cada 8 horas o al inicio y final de su uso

 Los imanes permanentes se caracterizan por:  Se obtienen induciendo un fuerte campo magnético en aleaciones del tipo Al-Ni-Co, Cu-Ni-Co, Cu-Ni-Fe, Co-Mo.  Se usan en los siguientes casos: • No se dispone de corriente eléctrica • Atmósferas explosivas • Inspección submarina  Presentan las siguientes limitaciones:

• Menor movilidad de partículas con respecto a AC. • Puede perder su intensidad de campo (golpes, daños, etc.)

• Adherencia de partículas a los polos del imán pueden ocultar posibles indicaciones relevantes.

10.2 MAGNETIZACIÓN CON PUNTAS DE CONTACTO Técnica muy utilizada para piezas grandes y que no pueden colocarse en un banco de partículas magnéticas: uniones soldadas, piezas fundidas, etc.

 Proporciona una magnetización circular

GRÁFICA MAGNÉTICA

 La intensidad de corriente se establece de acuerdo con:  Espesor del material  Distancia entre puntas (50 a 200 mm)  Calentamiento de la pieza en la zona de contacto  Capacidad de la fuente de energía

Distancia entre puntas (mm)

Espesor de material (mm) Menor a 20

Mayor a 20

50 a 100

200 a 300 A

300 a 400 A

100 a 150

300 a 400 A

400 a 600 A

150 a 200

400 a 600 A

600 a 800 A

 El equipo debe conectarse y apagarse con los electrodos posicionados sobre el material.  Técnica no recomendable para aceros con %C > 0.3 debido a calentamiento localizado en las zonas de contacto.  Tiempo de aplicación de corriente recomendado: 1 a 2 segundos.

 Puede utilizarse con CA (discontinuidades superficiales) o con CRMOM (discontinuidades subsuperficiales).  Debe mantenerse una buena limpieza en las zonas de contacto entre las puntas y el material.

10.3 MAGNETIZACIÓN POR CONTACTO DIRECTO Esta técnica consiste en hacer pasar la corriente de magnetización directamente a través de la pieza que se va a inspeccionar.  El campo magnético inducido es de tipo circular. Bobina

Componente Cabezal (2)

10.4 MAGNETIZACIÓN POR BOBINA La magnetización de la pieza se realiza por el paso de una corriente eléctrica a través de una bobina multivuelta (10 a 20 espiras). I

I B

I

 Se obtiene una magnetización lineal de la pieza a inspeccionar.  Se denomina factor de llenado a la relación entre el área de la sección transversal de la bobina y el área de la sección transversal de la pieza (AB / AP) , incluyendo las porciones huecas.

 La determinación de la corriente de magnetización se establece con relación al factor de llenado y se expresa en Amper-vuelta (NI), amperaje (I) multiplicado por el número de vueltas de la bobina (N). a) Bobinas con alto factor de llenado  En este caso se considera la relación AB/AP < 2  La corriente de magnetización en NI (amperios-vuelta) se expresa por la siguiente relación: . L = Longitud de la pieza NI = 35000 / (L/d + 2) (± 10%) . d = Diámetro de la pieza . L/d ≥ 3  Para relaciones L/d > 15 se recomienda usar el valor de L/d = 15.  Para piezas huecas la relación L/d debe ser determinada en base al diámetro efectivo defe.:

(defe.)2 = (dext.)2 + (dint.)2

 La región efectiva de inspección sobre la pieza a ensayar tiene un valor máximo de 440 mm (220 mm a cada lado del plano central de la bobina). 220 mm

220 mm

Corriente

Bobina

Discontinuidades

 Para relaciones L/d  3 se pueden usar prolongadores magnéticos, en ambos extremos de la pieza: material ferromagnético y con un diámetro semejante al de la pieza (d):

L = L Pieza + 2 L Prolongador

c) Bobinas hechas con cable: Esta inspección se realiza enrollando un cable conductor de electricidad alrededor de la muestra (equipos portátiles).

 La intensidad de corriente está en función del valor de L/d :  Para L/d ≥ 4

NI = 35000 / (L/d) + 2

 Para 4  L/d  2

NI = 45000 / (L/d)

10.5 MAGNETIZACIÓN POR CONDUCTOR CENTRAL Consiste en hacer circular la corriente de magnetización a través de un conductor que se encuentra rodeado por la pieza a inspeccionar.

 Con esta técnica se consigue una magnetización circular.

 Cuando se requiera disminuir la intensidad de corriente ( I ) a un valor accesible para el equipo utilizado para el ensayo ( In ), se puede utilizar más de un conductor central:

In = I / n

n = Número de conductores centrales

11.- DESMAGNETIZACIÓN Tiene como objetivo eliminar el magnetismo residual en el elemento inspeccionado Consiste en la aplicación de una fuerza de magnetización de intensidad suficiente como para vencer la fuerza coercitiva (Hc). La fuerza de magnetización se aplica invirtiendo su sentido y reduciendo su magnitud, en forma cíclica, hasta valores muy pequeños.

 Un método práctico de desmagnetización es hacer pasar la pieza inspeccionada a través de una bobina por la que circula CA. De esta manera la pieza queda sometida a un campo magnético alterno.  Para conseguir que el campo magnético disminuya en forma progresiva se debe mover la pieza desde el interior de la bobina hacia el exterior.

12.- PARTÍCULAS MAGNÉTICAS 12.1 Tipos de partículas  Son los elementos que se acumulan en los campos de fuga originados por la presencia de discontinuidades.  De acuerdo con su visibilidad se clasifican en dos tipos:  Coloreadas: Negras, rojas, grises amarillas y blancas  Fluorescentes: Observables con luz negra  Según el medio utilizado para la aplicación de las partículas, se tienen dos vías de aplicación:  Vía seca: El medio utilizado es el aire  Vía húmeda: El medio empleado es un líquido

Sensibilidad entre vía seca y vía húmeda

Vía seca

Vía húmeda

f) Suspensión y concentración de partículas

Para el caso de vía húmeda, el líquido utilizado para la suspensión puede ser un derivado ligero de petróleo (refinado) o agua. Cuando se emplee un derivado de petróleo se deben tener en cuenta los siguientes factores:  Viscosidad: 3 cSt como máximo  No deben presentar fluorescencia natural  Su punto de inflamación es ~ 57.2 °C Para el caso de usar agua, esta debe ser limpia, no contener sólidos en suspensión y debe adicionarse inhibidores de corrosión. Las proporciones entre líquido y partículas deben observar las recomendaciones de los fabricantes.

 El grado de concentración de las partículas puede evaluarse en base a las siguientes indicaciones:  Partículas coloreadas: 1.2 a 2.4 ml por cada 100 ml de suspensión.  Partículas fluorescentes: 0.1 a 0.4 ml por cada 100 ml de suspensión.

 Para el control de la concentración de partículas se emplea un tubo de centrífuga de 100 ml.  Llenar con la suspensión el tubo hasta enrasar con la marca de 100 ml.  Dejar decantar en un lugar libre de vibraciones durante 30 minutos para agua y 60 minutos para derivado de petróleo. Coloredas

1.2 a 2.4 ml

Fluorescentes

0.1 a 0.4 ml

13.- COBERTURA DE EXAMEN Con la finalidad de cubrir las diferentes orientaciones que puedan tener las posibles discontinuidades, debe inducirse como mínimo un campo magnético circular y un campo magnético longitudinal sobre la superficie a inspeccionar.

Contacto directo y bobina

15.- PROCEDIMIENTO DE INSPECCIÓN a) Nombre, material y dimensiones del elemento a inspeccionar. b) Datos del equipo a utilizar para la magnetización c) Preparación superficial d) Técnica de magnetización e) Tipo y magnitud de corriente para la magnetización f) Tipo de partículas y método de inspección

g) Proceso de desmagnetización h) Limpieza final