Curso UT Medicion de Espesores Nivel II
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Objetivo:
Ultrasonido IndustrialMedición de espesores -Nivel II
Adiestrar al técnico para ajustar y calibrar equipo, y evaluar resultados de
inspección con respecto a códigos, normas y especificaciones aplicables
Familiarizar al técnico con los alcances y limitaciones del método deinspección y que esté calificado para ser responsable del adiestramiento yguía del personal Nivel I y aprendices, y que sea capaz de organizar yreportar los resultados de las inspecciones
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S o n i d o
Propagación de energíamecánica (vibraciones confrecuencias de 16 a 20,000ciclos / segundo, que puedenser percibidas por el oídohumano) a través de sólidos,líquidos y gases
La facilidad de viaje del sonidodepende de su frecuencia y lanaturaleza del medio
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U l t r a s o n i d o
Nombre dado al estudio y aplicación de ondas sónicas confrecuencias mayores que las detectadas por el oído humano,arriba de 20,000 Hz (Hertz o ciclos por segundo)
En pruebas ultrasónicas por contacto el rango de frecuenciascomúnmente usado es de 2.25 a 10 MHz (Megahertz omillones de ciclos por segundo)
En casos particulares se emplean frecuencias debajo de esterango y para métodos de inmersión las frecuencias pueden serde hasta 30 MHz
U l t r a s o n i d o
Con frecuencias mayores a 100,000 ciclos /segundo, el ultrasonido forma un haz, similara la luz, que puede ser utilizado para rastrearel volumen de un material
Un haz ultrasónico cumple con algunas reglasfísicas de óptica por lo que puede serreflejado, refractado, difractado y absorbido
Por principio, el ultrasonido puedepropagarse a través de todos los mediosdonde existe materia capaz de vibrar, por loque se propaga a través de sólidos, líquidos ygases
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“El ultrasonido se transmite y propaga dentro de una pieza hasta que es reflejado; el ultrasonido reflejado regresa a un receptor proporcionándole información acerca de su
recorrido; la información proporcionada se basa en la cantidad de energía reflejada y en la distancia recorrida
por el ultrasonido”
“El ultrasonido se transmite y propaga dentro de una pieza hasta que es reflejado; el ultrasonido reflejado regresa a un receptor proporcionándole información acerca de su
recorrido; la información proporcionada se basa en la cantidad de energía reflejada y en la distancia recorrida
por el ultrasonido”
La inspección por ultrasonido se realiza básicamente por el método en el cual
Inspección Ultrasónica
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Inspección Ultrasónica
Inspección Ultrasónica
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Inspección Ultrasónica
Inspección Ultrasónica
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Inspección Ultrasónica
1 Generador de la señal eléctrica, Instrumento Ultrasónico
Sistema de Inspección UltrasónicaComponentes Básicos
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Sistema de Inspección UltrasónicaComponentes Básicos
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2 Conductor de la señal eléctrica, Cable coaxial
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Sistema de Inspección UltrasónicaComponentes Básicos
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3 Elemento transmisor-receptor, Transductor
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Sistema de Inspección UltrasónicaComponentes Básicos
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4 Medio para transferir la energía acústica, Acoplante
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Sistema de Inspección UltrasónicaComponentes Básicos
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5 Pieza inspeccionada
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Sistema de Inspección Ultrasónica
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Antecedentes Históricos
Uso del ultrasonido para realizar pruebas en 1930 enAlemania por Mulhauser, Trost y Pohlman, y en Rusia porSokoloff, técnicas empleando ondas continuas
Los equipos detectores de fallas originalmente desarrollados,basándose en la interceptación del ultrasonido pordiscontinuidades grandes
Firestone (EUA) inventó un aparato de ondas ultrasónicaspulsadas para obtener reflexiones de defectos pequeños,conocido como"Reflectoscopio Supersónico“
En Inglaterra, Sproule desarrolló equipos de inspecciónultrasónica en forma independiente
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A p l i c a c i o n e s
Ya que la inspección ultrasónica se basa en unfenómeno mecánico, puede adaptarse paradeterminar la integridad estructural de los materialesde ingeniería
Se utiliza en el control de calidad e inspección demateriales, en diferentes ramas de la industria
� Detección y caracterización de discontinuidades
A p l i c a c i o n e s
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� Medición de espesores, extensión y grado de corrosión
A p l i c a c i o n e s
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Proporciona gran poder de penetración, lo quepermite la inspección de grandes espesores
Se tiene gran sensibilidad, ya que se puedendetectar discontinuidades extremadamentepequeñas
Gran exactitud para determinar la posición, estimarel tamaño, orientación y forma de discontinuidades
V e n t a j a s
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Se necesita una sola superficie de acceso
La interpretación de los resultados es inmediata
No existe peligro o riesgo en su aplicación
Los equipos son portátiles
Los equipos actuales tienen la capacidad de almacenar información en la memoria
V e n t a j a s
La operación del equipo y la interpretación de los resultados requiere técnicos experimentados
Se requiere gran conocimiento técnico para el desarrollo de los procedimientos de inspección
La inspección se torna difícil en superficies rugosas
La inspección se torna difícil en partes de forma irregular
L i m i t a c i o n e s
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La inspección se torna difícil en piezas pequeñas o delgadas
Discontinuidades subsuperficiales pueden no ser detectadas
Durante la inspección es necesario el uso de un material acoplante
Se necesitan patrones de referencia en la calibración del equipo y caracterización de discontinuidades
L i m i t a c i o n e s
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La transmisión del ultrasonido se caracteriza por
vibraciones periódicas representadas por un
“movimiento ondulatorio”
Propagación del ultrasonido
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Es el número de ciclos completos que pasan en un punto en la unidad de tiempo, normalmente un segundo
Frecuencia
Longitud de onda
Es la distancia de viaje de un ciclo, o la distancia de un punto en un ciclo al mismo punto en el siguiente ciclo
λ
λ
1 segundo 1 segundo 1 segundo
ciclosseg3
ciclosseg5
ciclosseg2
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Velocidad
Es la distancia total de viaje por unidad detiempo o rapidez de desplazamiento de lavibración de las partículas
La relación entre las tres características delmovimiento ondulatorio matemáticamente seexpresan
v = λ x f
v = Velocidad del ultrasonidoλ = Longitud de ondaf = Frecuencia
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Las vibraciones ultrasónicas son generadas por la
aplicación de pulsos eléctricos de alta frecuencia al
elemento “transductor”, “elemento” o “cristal
piezoeléctrico”, contenido en una
“unidad de rastreo” o “palpador”
El elemento transductor transforma la energía eléctrica en
energía ultrasónica (mecánica)
El elemento transductor también recibe la energía
ultrasónica y la trasforma en energía eléctrica
El ultrasonido es transmitido entre el palpador y la piezade prueba a través de un “medio acoplante”, comoaceite, gel, agua, etc.
El propósito principal del acoplante es eliminar lainterfase con aire, entre el transductor y la superficie dela pieza de inspección, ya que el aire es un pobretransmisor del ultrasonido
Acoplante
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Contacto
El palpador es directamente colocado sobre la superficiede la pieza inspeccionada, utilizando una capa delgada deacoplante, como gel
Capa ligerade acoplante
Palpador
Métodos de acoplamiento
Pieza inspeccionada
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Inmersión
La pieza de prueba o el palpador, o ambos, se encuentran sumergidos en el acoplante, usualmente agua, y el ultrasonido se transmite a través del agua
Columna deacoplante
Palpador
Pieza inspeccionada
Métodos de acoplamiento
El haz ultrasónico tiene propiedades similares a las de laluz, como cuando golpea un objeto que interrumpe supaso, el objeto produce su “reflexión” o “reflejo”
El ángulo de reflexión es igual al de incidencia
Si el ángulo de incidencia es “normal” con respecto a lasuperficie, el ángulo de reflexión es también normal
Si la incidencia es “angular” u “oblicua”, entonces el ángulode incidencia, con respecto a la normal a la superficie, esigual al ángulo de reflexión
Reflexiones ultrasónicas
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Interfase acústica
Incidencia normal
Interfase acústica
Incidencia oblicua
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Interfase acústica
Incidencia normal
Interfase acústica
Incidencia oblicua
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Interfase acústica
Incidencia normal
Interfase acústica
Incidencia oblicua
Barrido tipo “A”
Es la presentación más utilizada en el campo de las PruebasNo Destructivas
Proporciona información acerca de:
� el espesor del material inspeccionado, o laprofundidad a la que se encuentra unadiscontinuidad, y
� el tamaño relativo de la discontinuidad
Métodos de presentación de datos
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Barrido tipo “A”
Acoplante
Palpador
Pieza inspeccionada
Discontinuidad
Métodos de presentación de datos
Barrido tipo “B”
Esta presentación proporciona una vista de la sección transversalde la pieza inspeccionada y de las discontinuidades detectadas,mediante el análisis de la imagen retenida en la pantalla ograficada en el barrido en un solo sentido
Es usada principalmente para obtener el perfil de la seccióntransversal, con el fin de efectuar el monitoreo de corrosión entuberías, intercambiadores de calor y calderas
Es más adecuado combinarlo con el método de inmersión
Métodos de presentación de datos
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Discontinuidades
Barrido tipo “B”
Superficie Frontal
Superficie Posterior
EspesordelMaterial
Métodos de presentación de datos
Barrido tipo “C”
Esta presentación proporciona una vista de planta (como unmapa) de la pieza inspeccionada y de las discontinuidadesdetectadas, por medio del acoplamiento de la salida de unapresentación de barrido “A” hacia un registrador XY o unsistema computarizado de adquisición de datos
Las discontinuidades son indicadas en el registrador o en lapantalla de la computadora en la posición X, Y del barrido, elcual debe estar sincronizado con el registrador o el sistema deadquisición de datos computarizado
Métodos de presentación de datos
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Discontinuidades
Métodos de presentación de datos
Barrido tipo “C”
Barrido tipo “S” (sectorial)
Es una vista de 2 dimensiones, que enlaza las características de unpalpador de arreglo de fase (recorrido del ultrasonido, ángulorefractado, índice y la distancia proyectada al reflector) con laprofundidad de la pieza inspeccionada
Uno de los ejes es la distancia proyectada (generalmente el índicepara palpadores de incidencia normal) y el otro es el recorrido delultrasonido (generalmente la profundidad)
El número total de barridos “A”, generados por leyes focales, sonrepresentados en un sector angular, con un ángulo inicial, un ángulofinal, y una resolución angular; la vista de dos dimensiones representael rango de barrido, un sector circular
Métodos de presentación de datos
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Barrido tipo “S” (sectorial)
Métodos de presentación de datos
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La energía ultrasónica se propaga por medio de vibración delas partículas del material,de átomo a átomo
La dirección en la que vibran los átomos, con respecto a ladirección de propagación del ultrasonido, depende de laforma de vibración
Los modos más frecuentemente utilizados son las “ondaslongitudinales” y las “ondas de corte”
Formas de Vibración Ultrasónica
Dirección
de
Propagación
Ondas Longitudinales
La forma de “onda longitudinal” o de “compresión” está caracterizada por el movimientode las partículas “paralelo” a la dirección de propagación del ultrasonido
Esta onda se propaga a través de sólidos, líquidos y gases , este es el modo para mediciónde espesores.
Formas de Vibración Ultrasónica
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Ondas Longitudinales
La forma de “onda longitudinal” o de “compresión” está caracterizada por el movimiento de las partículas “paralelo” a la dirección de propagación del ultrasonido
Esta onda se propaga a través de sólidos, líquidos y gases
Formas de Vibración Ultrasónica
Ondas de Corte
La “onda de corte” o “transversal” está caracterizada por el movimiento“perpendicular” de las partículas con respecto a la dirección de propagacióndel ultrasonido
Viajan a aproximadamente la mitad de la velocidad que las ondaslongitudinales
Sólo se transmiten en sólidos
Se introducen en la pieza inspeccionada mediante palpadores de haz angular,en el método por contacto, o inclinando la dirección del haz con respecto a lainterfase, cuando se emplea el método de inmersión
Formas de Vibración Ultrasónica
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Direcciónde Propagación
Ondas Transversales o de Corte
El palpador de haz angular consiste de un elemento transductor montado sobre una zapata, de tal forma que el ultrasonido entre a la pieza con un ángulo diferente de 90° con respecto a la normal
45º
Formas de Vibración Ultrasónica
Movimientode lasPartículas
Ondas Transversales o de Corte
Formas de Vibración Ultrasónica
45º
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Ondas Superficiales
Las “ondas superficiales” o de “Rayleigh” son un tipo especial de ondas de corte
Viajan a través de extremos curvos, pero ocurren reflexiones en extremosagudos, como esquinas; y pueden reflejarse en zonas con grasa, aceite o líquidosen la superficie
Su energía decae rápidamente debajo de la superficie hasta una profundidad deaproximadamente una longitud de onda
Sólo se transmiten en sólidos; el movimiento de las partículas es elíptico; lavelocidad es aproximadamente el 90% de la velocidad de las ondas de corte
Formas de Vibración Ultrasónica
Ondas Superficiales
Formas de Vibración Ultrasónica
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Cuando un haz ultrasónico pasa de un medio a otro condiferente velocidad y además con un ángulo de incidenciaque no sea normal con respecto a la interfase que separa losdos medios, ocurre el fenómeno conocido como“refracción”
Refracción
Medio 1v1
Medio 2v2
Línea normal
Interfase
α
θ
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Los ángulos de las ondas de incidencia y refractadas cumplen con la “Ley de Snell”, la cual, como se utiliza en la inspección ultrasónica, se expresa como sigue:
Refracción
Sen α v1
Sen θ v2
α
θ
v1v2
Cuando una onda longitudinal incide normal a la superficie(α = 0°), es transmitida en forma recta en la pieza y noocurre la “refracción”
Cuando se gira el ángulo de incidencia (α se incrementa), ocurre la “refracción” y la
“conversión de modo”
dentro del material inspeccionado, la onda longitudinal estransmitida como una onda longitudinal y una onda decorte, con una dirección e intensidad variables
Conversión de Modo
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Cuando θ alcanza un valor de 90° para la onda longitudinal refractada, el valor de α es conocido como “Primer Ángulo Crítico”
Para un ángulo de incidencia mayor al primer ángulo crítico solo existen ondas de corte en el 2do medio
Primer Ángulo Crítico
Cuando θ alcanza un valor de 90° para la onda de corte refractada, el valor de α es conocido como “Segundo Ángulo Crítico”
Para un ángulo de incidencia mayor al segundo ángulo crítico, ya no existen ondas de corte en el 2do medio
Segundo Ángulo Crítico
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Las variables tratadas a continuación son afectadasprincipalmente por el sistema de inspección ultrasónica
� instrumento� transductor� zapata� acoplante
Además de algunas variables de la pieza inspeccionada
Es importante que el técnico conozca los efectos de estasvariables en los resultados de la inspección
Variables Ultrasónicas
Reflexión e Impedancia acústica
Cuando un haz ultrasónico incide en el límite entre dos materiales diferentes, parte de la energía es transmitida al segundo medio y parte es reflejada
El porcentaje de energía transmitida y reflejada está relacionado con las “impedancias acústicas” de los dos materiales
La impedancia acústica (Z) es el producto de la densidad del material (ρ) y la velocidad de propagación del sonido (v)
Z = ρ v
Variables Ultrasónicas
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Reflexión e Impedancia acústica
Las impedancias acústicas permiten calcular el porcentajeteórico de energía transmitida y reflejada en interfasesacústicas
A mayor diferencia entre las impedancias acústicas de lasinterfases, mayor será el porcentaje de reflexión
Variables Ultrasónicas
Reflexión e Impedancia acústica
Variables Ultrasónicas
Coeficiente de reflexión
Z2 - Z1 2
Z2+Z1
Coeficiente de transmisión
4 Z1 Z2
(Z2 + Z1)2
T = 1 - R
R = %R = R x 100
T = %T = T x 100
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Frecuencia
Para la detección de fallas usando el método de contacto, generalmente se utilizan frecuencias entre 2.25 y 10 MHz
Dentro de este rango, las frecuencias más altas proporcionan mayor sensibilidad para detectar discontinuidades pequeñas, pero no tienen el poder de penetración de las frecuencias más bajas
El tamaño de la discontinuidad que puede ser detectada debe ser la consideración más importante cuando se selecciona la frecuencia
Variables Ultrasónicas
Ancho de banda de frecuencias
Lo descrito anteriormente sobre frecuencias se refiere a lafrecuencia pico usada en la inspección, pero en todos loscasos, el instrumento ultrasónico y el palpador producen unabanda de energía ultrasónica que cubre un rango defrecuencias, el cual es expresado como
“ancho de banda”
Muchos procedimientos de inspección ultrasónica sonsensibles a la frecuencia empleada y por lo tanto pueden serafectados grandemente por las variaciones en el ancho debanda del sistema de inspección
Variables Ultrasónicas
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Ancho de banda de frecuencias
Tanto el instrumento como el palpador afectan el ancho debanda, por lo que cuando se desarrolla un procedimientocon un instrumento y palpador en particular, esrecomendable que se utilice el mismo modelo deinstrumento y de palpador con respecto al fabricante,material del elemento transductor, material deamortiguamiento, tamaño y frecuencia, cuando se realizauna inspección
Variables Ultrasónicas
Ancho de banda de frecuencias
Los instrumentos ultrasónicos son construidos de tal formaque emiten impulsos al palpador y miden la respuesta endiferentes maneras con respecto al ancho de banda
Sin considerar otros factores, una banda ancha significa unamejor resolución y una banda más angosta significa mayorsensibilidad
Los instrumentos ultrasónicos son diseñados de tal formaque, con respecto al ancho de banda, exista un compromisoentre una buena resolución y sensibilidad
Variables Ultrasónicas
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Características del haz ultrasónico
El haz ultrasónico no tiene
una proyección con lados
rectos con intensidad
uniforme desde la cara del
transductor, se esparce
conforme se aleja del
transductor y varía en
intensidad.
El perfil del haz se ha
dividido en diferentes zonas
por sus características.
Campo Muerto
Divergenciadel Haz γ
Eje Acústico
Campo Lejano
Campo Cercano
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Campo muerto
En la inspección por contacto, existe un área frente a la caradel palpador en la que no se puede efectuar ningún tipo deinspección; no se pueden observar indicaciones producidaspor discontinuidades cercanas a la superficie porque el pulsoinicial en la pantalla es demasiado grande, la energíareflejada regresaría al palpador mientras se encuentratodavía transmitiendo
La zona muerta o zona de no-inspección es inherente a todoslos instrumentos ultrasónicos
Para minimizar la longitud de la zona muerta se empleantransductores con alto amortiguamiento, de banda ancha,que emiten pulso cortos
Características del haz ultrasónico
Campo cercano (Zona de Fresnel)
Desde la cara del palpador existe un área caracterizada porlas variaciones en la intensidad del haz ultrasónico
Área denominada “campo cercano” o “zona de Fresnel”
Debido a las variaciones en amplitud inherentes esta zona nose recomienda para la inspección, en esta zona se puededetectar discontinuidades, medir espesores o conocer laprofundidad de una discontinuidad, pero para evaluardiscontinuidades deben compararse contra indicacionesobtenidas de reflectores conocidos a diferentesprofundidades dentro de la zona y cuando su área es menorque la del transductor
Características del haz ultrasónico
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Campo cercano (Zona de Fresnel)
Características del haz ultrasónico
Donde:
N = Longitud del Campo Cercano
D = Diámetro del Transductor
f = Frecuencia del Transductor
v = Velocidad de la onda ultrasónica
λ = Longitud de Onda
Α = Área de la cara del transductor
D2 f D2 A4 v 4 λ π λN = = =
Campo lejano (Zona de Fraunhöfer)
La zona que se encuentra después del campo cercano es llamada “campo lejano”
En el campo lejano, o “zona de Fraunhöfer”, la intensidad del haz ultrasónico decae de manera exponencial conforme se incrementa la distancia desde la cara del transductor
Características del haz ultrasónico
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CampoCercano
CampoLejano
Distancia - amplitud
Características del haz ultrasónico
Distancia
Amplitud
Divergencia del haz
En el campo cercano el haz ultrasónico se propaga en línearecta desde la cara del palpador, pero en el campo lejano elsonido se esparce hacia fuera
A una frecuencia dada, entre mayor sea el diámetro deltransductor, el haz será más recto; con transductores demenor diámetro, el haz tendrá una mayor divergencia
De la misma forma, con un mismo diámetro lostransductores de mayor frecuencia, tendrán una menordivergencia
Características del haz ultrasónico
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Divergencia del haz
Características del haz ultrasónico
Donde:
α = Mitad del ángulo de divergencia
D = Diámetro del Transductor
f = Frecuencia del Transductor
v = Velocidad del ultrasonido
Sen α = 1.22v
D f
Placa de acero
Laminación al centro de la placa
Indicación de la discontinuidad
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Placa de acero
Laminación al centro de la placa
Indicación de la discontinuidad y la reflexión de pared posterior a la misma amplitud
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Cada prueba no destructiva debe basarse en el totalentendimiento de la naturaleza y función de la pieza queestá siendo inspeccionada y las condiciones de su servicio,estos fundamentos son trasladados a la experiencia básica ylos conocimientos que un técnico debería poseer
El técnico calificado como Nivel II o III en Ensayos noDestructivas debe estar familiarizado con el manejo einterpretación de documentos aplicables al método en elque está calificado y a los productos que debe inspeccionar
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Es una colección de estándares y especificacionesrelacionadas entre ellas, documentos que define losrequisitos técnicos de prueba, materiales, procesos defabricación, inspección y servicio con los que debe cumpliruna línea en particular de partes, componentes o equipo
Los códigos americanos que llevan las siglas ANSI sondocumentos normativos nacionales en los Estados Unidos.Es importante siempre recordar que los Códigos no secombinan o sustituyen entre sí
Código
Es una especificación publicada, método de prueba,clasificación o práctica que ha sido preparada por uncuerpo editor; con el fin de satisfacer las necesidades deun contrato, un estándar o parte de uno, puede funcionarcomo una especificación
Son documentos que establecen:
� Y definen reglas para adquirir, comprar,dimensionar o juzgar un servicio, material, parte,componente o producto;
� Definiciones, símbolos, clasificaciones.
Norma o estándar
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Las normas ASTM relacionadas con las pruebas nodestructivas hacen énfasis de la forma en la cual debenrealizarse las actividades de inspección, pero dejan elcriterio de aceptación para que sea decidido entre elcomprador y el vendedor del servicio de acuerdo con elproducto
Norma o estándar
Es un documento que establece, con cierto detalle, el juegode requisitos asociados con un método; la fuente de unaespecificación es normalmente el comprador del producto oservicio
Describen, definen y establecen:
� De forma detallada un servicio, material o producto;� Propiedades físicas o químicas de un material;� La forma de realizar pruebas, inspecciones, etc., y
tolerancias aplicables para la aceptación o rechazo;� Como realizar la compra de un servicio o material
Especificación
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Un Procedimiento de Inspección es un documento escrito, enforma de una secuencia ordenada de acciones que describencomo debe ser aplicada una técnica específica
Es un documento que define los parámetros técnicos,requisitos de equipos y accesorios, así como los criterios deaceptación y rechazo que son aplicables a materiales, partes,componentes o equipos, todo de acuerdo con lo establecidoen códigos, normas y /o especificaciones
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� Apego a los documentos aplicables (Códigos, normas oespecificaciones)� Se mantiene homogénea la técnica de inspección� El criterio de aceptación y rechazo es homogéneo� Se mantiene un nivel de calidad constante de los
productos inspeccionados� Se obtienen resultados repetitivos� Evita discrepancias entre el fabricante y el compradordurante la inspección de recepción de materiales,cuando el comprador está enterado y ha autorizado laaplicación del procedimiento
Beneficios
� Definir los documentos aplicables, por acuerdo entre elprestador del servicio y el cliente, tales como:
especificaciones, códigos, normas, dibujos, pedido� Definir el alcance y requisitos específicos� Verificar los requisitos específicos que sean aplicablescontenidos en: notas técnicas, planos, especificaciones,pedido, etc.� Determinar los equipos y accesorios necesarios� Definir los niveles de calidad requeridos.� Considerar programas de fabricación o mantenimiento,para determinar los puntos críticos de la inspección como:las áreas de interés, la etapa de la inspección, lapreparación de las superficies� Seleccionar y preparar las muestras en caso que sea
requerida la calificación del procedimiento.
Aspectos preliminares
