Aplicacion Del Metodo de Emision

APLICACIÓN DEL MÉTODO DE EMISIÓN

ACÚSTICA PARA EVALUAR LA INTEGRIDAD

DE RECIPIENTES A PRESIÓN.

ING. JORGE SAGRERO RIVERA

NIVEL III ASNT 156807 (UT, MT, PT)

ING. JOSÉ NÚÑEZ ALCOCER

NIVEL III ASNT 75457

México D.F. a 22 de Agosto del 2013 10ª Conferencia Mexicana de Pruebas No

Destructivas

CENTRO DE INGENIERÍA Y DESARROLLO INDUSTRIAL

ÍNDICE


I. EMISIÓN ACÚSTICA.

II. INTEGRIDAD MECÁNICA.

III. RELACIÓN AE – PARÁMETROS DE MECÁNICA DE FRACTURA

* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing


EMISIÓN ACÚSTICA (E.A).

I.1. FENOMENO DE EMISIÓN ACÚSTICA (E.A).

La Emisión Acústica es un poderoso método no destructivo empleado para

examinar el comportamiento de materiales que experimentan procesos de

deformación fractura (nucleación y crecimiento de grietas).

Formalmente definida: La clase de fenómeno por el cual se generan ondas

elásticas transitorias por la rápida liberación de energía proveniente de fuentes

localizadas dentro de un material. Emisión acústica es el término recomendado

para uso general. Otros nombres: Emisión de ondas de esfuerzo, actividad

micro-sísmica, etc.


I.2. EQUIPO E.A.


I.3. A.E. VS OTROS NDT.


3 principales diferencias entre el método de Emisión Acústica y otros métodos de

NDT:

La causa de la Emisión Acústica es la energía propia de la fuente

(movimiento producido por crecimiento de grietas), no energía

suministrada por un transductor.

La fuente AE adquiere energía a través de un estímulo mecánico o térmico

(estado de esfuerzo). Por lo cual esta relacionada con el esfuerzo.

El sensor de AE detecta movimiento, no la geometría de las

discontinuidades.

No intrusivo.

I.4. FUENTES POTENCIALES DE E.A.


Algunas fuentes potenciales de E.A. en los materiales de ingeniería son:

Nucleación y crecimiento de grietas.

Cedencia del material.

Fractura y separación de inclusiones.

Corrosión activa.

Realineación de dominios magnéticos.

Etc.

I.5. ANALOGÍA.


Se puede realizar una analogía interesante

al comparar el fenómeno de emisión

acústica con los terremotos. Los

terremotos liberan ondas sísmicas que

se propagan a través de la tierra y son

detectadas por medio de sensores

localizados alrededor del mundo (6).

El análisis de las ondas sísmicas

registradas puede proporcionar la

localización de la fuente y su grado de

severidad.

Como con los terremotos, en Emisión

Acústica un sensor detectará las ondas

elásticas que se propagan a través del

material.

I.6. PARTICIÓN DE ENERGÍA.


Cuando se genera un evento fuente, una pequeña fracción de la energía elástica

almacenada es liberada y convertida en otras formas de energía.

Las formas de energía de interés son la energía de la deformación plástica y la

energía de la emisión acústica.

Durante el crecimiento de una

grieta en un material con una

tenacidad elevada, una gran

cantidad de energía es

demandada por la deformación

plástica; en contraste con los

materiales frágiles, donde la

cantidad de energía demanda por

la deformación plástica es menor

(9).

Energía

almacenada

Energía

disponible Energía

Deformación

plástica

Energía AE

Otros

I.7. MODOS DE ONDAS.


El caso más sencillo de propagación de ondas de Emisión Acústica ocurre en un

medio infinito, donde sólo dos tipos de ondas pueden existir: Longitudinal

(Dilatacional) y Transversal (Distorsional). En medios semi-infinitos existe una

interacción entre la onda longitudinal y la superficie libre del solido que da lugar a las

ondas superficiales (Rayleigh). En placas delgadas, las ondas interactúan con las

fronteras y producen modos de propagación más complejos llamado ondas Lamb

(21).

7% 26%

67%

I.8. CONVERSIÓN DE ENERGÍA.


El sensor convierte las ondas elásticas en una señal de voltaje proporcional a

la magnitud de la energía liberada, la cual, a su vez, depende del tamaño y

velocidad del proceso de deformación localizado (8).

La onda de Emisión Acústica

generada por la formación y

movimiento de una simple dislocación

es muy pequeña para ser detectada,

sin embargo, la formación y

movimiento de millones de

dislocaciones que ocurren al mismo

tiempo, generan ondas superpuestas

que son detectables cuando el voltaje

que producen es mayor que el

generado por el ruido ambiental o

umbral de detección.

I.9. SEÑAL DE E.A.


En 1950, en la investigación que fundamenta el uso de la Emisión Acústica,

Kaiser observó y distinguió dos tipos de señales de Emisión Acústica: Señal tipo

estallido (Burst) y señal tipo continua (Continuous).

Grietas

Cedencia.

Fugas

I.10. PARÁMETROS DE LA SEÑAL DE E.A.


Sería ideal registrar una señal por cada evento de emisión acústica que

ocurre en el material. Sin embargo, existen eventos de emisión acústica, que

debido a su baja energía, no pueden ser detectados. Por lo cual es

necesario definir un umbral de detección. La detección se lleva a cabo

cuando la señal cruza el umbral establecido y define el inicio de la señal. La

Figura 13 esquematiza una señal de emisión acústica y sus parámetros.

I.11. PARÁMETROS DE LA SEÑAL DE E.A.


I.12. EFECTO KAISER


Una manifestación de la emisión acústica durante la deformación es el efecto

Kaiser. Los materiales muestran actividad de emisión acústica solo después

de que la carga aplicada excede a la carga previa.

I.13. LOCALIZACIÓN DE FUENTES.


Una de las mayores fortalezas del método de examinación por emisión acústica es

su habilidad para localizar fuentes de emisión acústica activas. El tiempo de

llegada de la señal acústica al sensor es el parámetro comúnmente empleado para

determinar la localización de una fuente.

Localización lineal.

Localización en un plano (dos dimensiones).

Localización zonal.



3.28

pulgadas

Fuente

Hsu Nielsen

Sensor

Guardián 2 Sensor 1 Sensor 2 Sensor

Guardián 1

Ejemplo de localización



El equipo puede ser esquematizado para facilitar localización de la fuente de

emisión.

I.14. DISTANCIA ENTRE SENSORES.


La atenuación de la señal determina el espaciamiento máximo entre sensores

necesario para asegurar la detección de las fuentes de emisión. La atenuación es

medida antes de la prueba.


I.14. DISTANCIA ENTRE SENSORES.


I.15. CARACTERIZACIÓN CON TOFD. Una vez localizadas las

fuentes de emisión

pueden ser caracterizadas

con ultrasonido industrial.

Parámetros importantes.

Profundidad.

Longitud.


INTEGRIDAD MECÁNICA

II.1. INTEGRIDAD.


La Integridad mecánica es una filosofía de trabajo que

tiene por objeto garantizar que todo equipo de proceso

sea diseñado, procurado, fabricado, construido,

instalado, operado, inspeccionado, mantenido, y/o

reemplazado oportunamente para prevenir fallas,

accidentes o potenciales riesgos a personas,

instalaciones y al ambiente.

Análisis de integridad consiste en la evaluación del

estado estructural de un elemento, basándose en la

identificación del tipo y grado de severidad de las

discontinuidades.

Mecanismos

de daños

Grietas

.

.

.

24


Estructuras fabricadas con materiales con suficiente tenacidad pueden no ser

susceptibles a fractura frágil, pero pueden fallar por colapso plástico si son

sobrecargadas. Dowling and Townley (53), and Harrison (54) introdujeron el

concepto del diagrama de evaluación de falla (FAD, por sus siglas en inglés), que

incorpora dos criterios de falla, para describir la interacción entre fractura y

colapso.

II.2. MECÁNICA DE FRACTURA - LEFM

(FALLAS TIPO GRIETA)


II.3. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE EVALUACIÓN

(API-579)

𝐾𝐼 = 𝐾𝐼𝑃 =

𝑝𝑅𝑜2

𝑅𝑜2 − 𝑅𝑖

2 2𝐺0 − 2𝐺1 𝑎

𝑅𝑖 + 3𝐺2

𝑎

𝑅𝑖

2

− 4𝐺3 𝑎

𝑅𝑖

3

+ 5𝐺4 𝑎

𝑅𝑖

4

𝜋 𝑎

𝑄

Soluciones API-579 para una grieta con forma semi-

elíptica en la superficie interna de un cilindro sujeto a

presión interna

𝐿𝑟 =𝜎𝑟𝑒𝑓

𝜎𝑦𝑠 𝜎𝑟𝑒𝑓 = 𝜎𝑟𝑒𝑓

𝑃 =𝑔𝑃𝑏 + (𝑔𝑃𝑏)2 + 9 𝑀𝑠 · 𝑃𝑚 · 1 − 𝛼 2 2 0.5

3 1 − 𝛼 2



Soluciones numéricas.- Las

soluciones para el factor

intensificador de esfuerzos y

esfuerzos pueden ser

encontradas en modelos

numéricos que incluyan la

geometría de la grieta

explícitamente.



El parámetro Kr varia en función del factor intensificador de esfuerzos KI. El

factor intensificador de esfuerzos KI varia en función de las dimensiones de la

grieta y la carga aplicada (presión interna).

Α

Profundidad, a Longitud, 2c, Parámetro Parámetro ???? (??????)

(mm) (mm) ???? ???? (?????? ??)

1 1.5 3 0.218572 0.1078291 7.1382

1 4 8 0.172917 0.19901421 13.1747

1 5 10 0.164703 0.23904883 15.8249

0.5 1.5 6 0.334483 0.12427273 8.2268

0.5 4 16 0.315966 0.23046669 15.2568

0.5 5 20 0.319235 0.28121382 18.6163

0.25 1.5 12 0.458348 0.14679097 9.7175

0.25 4 32 0.552779 0.32029411 21.2034

0.25 5 40 0.622615 0.40179868 26.5989

0.125 1.5 24 0.567681 0.16180525 10.7114

0.125 4 64 0.892509 0.43052054 28.5003

0.125 5 80 1.184748 0.60952174 40.3501

0.0625 1.5 48 0.642875 0.17250209 11.4196

0.0625 4 128 1.203026 0.61300107 40.5804

0.0625 5 160 1.859225 0.89811659 59.4550

0.03125 1.5 96 0.677644 0.18045751 11.9462

0.03125 4 256 1.357048 0.66149982 43.7910

0.03125 5 320 2.269281 1.21341601 80.3277

2 5 5 0.084361 0.09634256 6.3778

α



La posición del punto de evaluación en el diagrama FAD proporciona

información referente al tipo de fractura esperada.

II.4. PROPIEDAES DEL MATERIAL.


II.5. FAD INCLUYE PROPIEDADES DEL MATERIAL.


𝐾𝑟 = 𝐸𝜀𝑟𝑒𝑓

𝐿𝑟𝑃𝜎𝑦𝑠

+(𝐿𝑟

𝑃)3𝜎𝑦𝑠

2𝐸𝜀𝑟𝑒𝑓

−0.5

Las propiedades del material (tenacidad y tensión) pueden

estar incluidas en el diagrama FAD y en las coordenadas del

punto de evaluación para refinar la solución


RELACIÓN AE – PARÁMETROS DE MECÁNICA DE FRACTURA

III.1. ORIGEN DE AE.- DEFORMACIÓN PLÁSTICA.


La deformación plástica es la fuente primaria de EA en materiales metálicos

sometido a carga. El inicio de la plasticidad particularmente en o cerca del

esfuerzo de cedencia, contribuye a los mayores niveles de actividad de emisión

acústica.

Los niveles de actividad de

emisión acústica son

dependientes del material.

Prueba de tensión.

III.2. GRIETAS COMO FUENTES DE EMISIÓN


La concentración de esfuerzo resultante,

provoca que el material que esta en la

punta de la grieta se deforme y falle, aun

cuando el resto del material este en la

región elástica.

Creación de zonas plásticas.

Crecimiento sub-critico.

Crecimiento critico.

Cuando se aplica esfuerzo a un material que presenta una falla tipo grieta, el campo

de esfuerzos tiende a rodear los limites de la grieta.

Importante: Emisión acústica --- sinónimo de movimiento.


El estado de crecimiento crítico es una tarea totalmente legitima para el método

de AE, sin embargo la detección de una grieta con un estado de crecimiento crítico

puede ser muy tardía para evitar una catástrofe. Por lo cual, el estado de

crecimiento sub-crítico es de gran interés para las aplicaciones prácticas de AE.

El crecimiento sub-crítico de una grieta puede ser inducido por:

Incremento de la carga.- El incremento de la carga puede propiciar el

crecimiento de la grieta suficiente para ser detectado por el método de AE

(depende del material y condición de carga).

Crecimiento por fatiga.- La aplicación de ciclos de cargas repetitivos

originan el la propagación de la grieta.

III.2. GRIETAS COMO FUENTES DE EMISIÓN

III.3. MODELO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA*.


El modelo de deformación plástica relaciona el factor intensificador de esfuerzos

y el tamaño de la zona plástica con la emisión acústica.

El modelo puede ser aplicado para predecir el comportamiento de materiales

agrietados que tienden a propagar una grieta.



Consideraciones:

El modelo esta basado en el hecho de que la emisión acústica esta asociada

con la deformación plástica.

Los metales y aleaciones proporcionan la mayor tasa de emisión acústica

cuando es cargado al esfuerzo de cedencia.

El tamaño y la forma de la zona plástica delante de la punta de la grieta son

determinadas por medio de conceptos de mecánica de fractura lineal.

𝑟𝑦 =

1

𝛼𝜋

𝐾𝐼

𝜎𝑦𝑠

2

KI=Factor intensificador de esfuerzos.

ry=Tamaño de la zona plástica (m3).

α= 2 ó 6 (esfuerzo plano ó deformación plana).

σys= Esfuerzo de cedencia.




Consideraciones:

La deformación en la punta de la grieta varia como r -0.5 , donde r es la distancia

radial desde la punta de la grieta.

La tasa de emisión acústica observada N es proporcional a la tasa del incremento

del volumen del material deformado Vp entre εy (cedencia) y εu. (uniforme)

.

Estas consideraciones permiten el desarrollo de las siguientes ecuaciones para el

modelo, asumiendo α=2.

El modelo describe una relación entre Vp (volumen de materia deformado) y K4

(factor intensificador de esfuerzos)

2 22 2 4 4

2 2 4

4

4

1 1

2 2 4 4

plate thickness

V

u y

p y u

y u y u

p

K K BV r r B B K

E E E

B

K

N K



Em

isió

n a

cú

sti

ca

(10

3 c

on

teo

s)

KI (103 lbf-in-2)

La importancia de este modelo se

encuentra en la correlación de la

emisión acústica observada

(causada por la deformación plástica

en la punta de la grieta) con el

estado de esfuerzos delante la

grieta.




Como en el modelo anterior se utilizan los conceptos de la mecánica elástica

lineal.


III.4. MODELO DE FRACTURA LINEAL ELÁSTICA*.



CONCLUSIONES

CONCLUSIONES


La mecánica causante del crecimiento de una grieta también contribuye a la

ocurrencia de emisión acústica.

El factor intensificador de esfuerzos es determinado con ecuaciones de

mecánica de fractura y pueden ser correlacionado con la emisión

acústica generada.

El factor intensificador de esfuerzos esta relacionado con las dimensiones

de las grietas y con la condición de carga.

TRABAJO FUTURO.


Se continua realizando experimentos para determinar, en casos específicos,

la relación entre AE y el tamaño de la zona plástica.

Es necesario estudiar el comportamiento de las grietas bajo condiciones de

carga bi-axiales.

Los protocolos de prueba deben ser calificados.

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