APLICACIÓN DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS AL CONTROL DE CALIDAD DE TUBOS DE MATERIALES FERROMAGNETICOS Y NO FERROMAGNETICOS METALURGIA DE TRANSFORMACION.

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1 APLICACIÓN DE LAS CORRIENTES INDUCIDAS AL CONTROL DE CALIDAD DE TUBOS DE MATERIALES FERROMAGNETICOS Y NO FERROMAGNETICOS METALURGIA DE TRANSFORMACION

2 El ensayo por corrientes inducidas esta caracterizado por la utilizacion de un campo de energia electromagnetica en su interaccion con materiales conductores de la elctricidad. Para ello se hace circular por una bobina una corriente alterna de cierta frecuencia, la cual origina un campo magnetico alterno primario, quien provoca en la muestra conductora corrientes inducidas. Estas ultimas generan un campo magnetico alterno secundario que se opone al primario, alterando por consiguiente la impedancia del sistema, Z, respecto de la misma en vacio, Z 0, en ausencia de muestra conductora. Este cambio aparente de la impedancia se presenta tanto en amplitud como en fase y se puede representar en un diagrama o plano complejo de impedancia.

3 Si la corriente alterna de alimentacion, I, se mantiene constante, entonces para el voltaje en los terminales del sistema, E, respecto del mismo en vacio, E 0,en ausencia de muestra conductora, los cambios en amplitud son proporcionales y los cambios en fase son iguales a los producidos en la impedancia respecto de la impedancia en vacio, dado que E=Z*I. De hecho, son los cambios de voltaje los que se miden y evaluan en el ensayo por corrientes inducidas.

4 Factores de que depende el ensayo por corrientes inducidas : # caracteristicas del sistema. # propiedades significativas de la muestra. Frecuencia de ensayo, f. Frecuencia de ensayo, f. Forma de bobina : palpador plano, solenoide envolvente, solenoide interior. Forma de bobina : palpador plano, solenoide envolvente, solenoide interior. Tamaño de bobina : numero de espiras,N; longitud de c/espira,l; diametro de espiras,D. Tamaño de bobina : numero de espiras,N; longitud de c/espira,l; diametro de espiras,D. Acoplamiento bobina-muestra conductora : efecto de separacion en palpadores planos, factor de llenado en solenoides envolventes o interiores, efecto de borde en todos los casos. Acoplamiento bobina-muestra conductora : efecto de separacion en palpadores planos, factor de llenado en solenoides envolventes o interiores, efecto de borde en todos los casos. Conductividad electrica, σ. Permeabilidad magnetica relativa, μ r. Dimensiones : espesor en muestras planas, diametro en muestras esfericas o cilindricas. Presencia de discontinuidades (grietas o cavidades) y su geometria (morfologia, situacion, orientacion, y profundidad).

5 Los transductores (bobinas) empleados para los ensayos por corrientes inducidas pueden ser muy variables. El criterio para su diseño depende de la finalidad del test. Se clasifican atendiendo a su : Geometria (palpadores planos de campo magnetico concentrado u ancho ; solenoides envolventes, interiores o en forma de horquilla ; sondas para interiores, para exteriores o especiales para piezas complejas) Geometria (palpadores planos de campo magnetico concentrado u ancho ; solenoides envolventes, interiores o en forma de horquilla ; sondas para interiores, para exteriores o especiales para piezas complejas) Circuito (de devanado simple, excitador y sensor ; de devanado doble, uno excitador y otro sensor) Circuito (de devanado simple, excitador y sensor ; de devanado doble, uno excitador y otro sensor) Tecnica de medida (de control absoluto ; de control diferencial por autocompensacion de la propia muestra o por compensacion con muestra patron) Tecnica de medida (de control absoluto ; de control diferencial por autocompensacion de la propia muestra o por compensacion con muestra patron)

6 Parametros fundamentales en todo sistema de ensayo por corrientes inducidas : Frecuencia de ensayo, f. Frecuencia de ensayo, f. Intensidad de campo magnetico primario, Hp. Intensidad de campo magnetico primario, Hp. Saturacion magnetica de la muestra. Saturacion magnetica de la muestra. Control de fase. Control de fase. Compensacion de voltaje. Compensacion de voltaje.

7 Estos parametros afectan fuertemente la sensibilidad y el poder de resolucion del ensayo por corrientes inducidas, por lo tanto deben ser estandarizados ciudadosamente en c/caso, a traves de calibracion con patrones de referencia adecuados.

8 Frecuencia de ensayo, f. Un aumento en f provoca : Una mayor relacion señal/ruido en la respuesta sensada, gracias a una superior capacidad de modulacion de la señal y filtrado de la misma, y por ende un aumento en el poder de resolucion del ensayo. Una mayor relacion señal/ruido en la respuesta sensada, gracias a una superior capacidad de modulacion de la señal y filtrado de la misma, y por ende un aumento en el poder de resolucion del ensayo. Una mayor velocidad de testeo y por consiguiente la compatibilidad del ensayo con velocidades superiores de produccion. Una mayor velocidad de testeo y por consiguiente la compatibilidad del ensayo con velocidades superiores de produccion. Una mayor capacidad de deteccion de discontinuidades y por ello un aumento en la sensibilidad del ensayo. Una mayor capacidad de deteccion de discontinuidades y por ello un aumento en la sensibilidad del ensayo. Una menor profundidad de penetracion de las corrientes inducidas en la muestra analizada, y por lo tanto una disminucion del volumen de la misma abarcado por el ensayo. Una menor profundidad de penetracion de las corrientes inducidas en la muestra analizada, y por lo tanto una disminucion del volumen de la misma abarcado por el ensayo.

9 Todo esto determina que la frecuencia optima de ensayo deba determinarse por una solucion de compromiso.

10 Intensidad de campo magnetico primario, Hp. Un aumento en Hp provoca (fijada f) : Un aumento en la relacion de frecuencias f/fc, debido a la variacion de μ r en el caso de muestras ferromagneticas, lo que puede disminuir el poder de resolucion del ensayo. Un aumento en la relacion de frecuencias f/fc, debido a la variacion de μ r en el caso de muestras ferromagneticas, lo que puede disminuir el poder de resolucion del ensayo. Una disminucion de la variacion de μ r debido a la presencia de tensiones internas heterogeneas en el caso de muestras ferromagneticas, lo que puede aumentar el poder de resolucion del ensayo. Una disminucion de la variacion de μ r debido a la presencia de tensiones internas heterogeneas en el caso de muestras ferromagneticas, lo que puede aumentar el poder de resolucion del ensayo. Un aumento de la densidad de corriente inducida en la muestra conductora en general, y por consiguiente una mayor sensibilidad en el ensayo. Un aumento de la densidad de corriente inducida en la muestra conductora en general, y por consiguiente una mayor sensibilidad en el ensayo.

11 Todo esto implica que la intensidad de campo magnetico primario adecuada de ensayo deba determinarse por una solucion de compromiso en materiales ferromagneticos y deba ser lo mas alta posible en materiales no ferromagneticos. La intensidad de campo magnetico primario, Hp, es directamente proporcional a la intensidad de corriente alterna de alimentacion, I, para un sistema dado ; por lo cual su ajuste se hace a traves de ella. El factor limitante respecto a I, es el recalentamiento de las bobinas por efecto Joule, lo que topea la misma y por consiguiente tambien a la Hp alcanzable.

12 Saturacion magnetica de la muestra : En materiales ferromagneticos, uno de los factores que da lugar a señales de fondo, es el debido a variaciones en la permeabilidad magnetica relativa, de un punto a otro de la muestra, motivado por la presencia de tensiones internas. Esto afecta el poder de resolucion del ensayo. Dicho efecto puede reducirse mediante la saturacion magnetica de la muestra con una bobina de corriente continua, con lo cual practicamente se eliminan las variaciones de μ r de una zona a otra, con la ventaja adicional de aumentar la profundidad de penetracion de las corrientes inducidas en la muestra.

13 Control de fase : Contribuye en conjunto con la frecuencia optima de ensayo, a disminuir los efectos producidos en la señal por variables distintas a la que quiere controlarse, mejorando la sensibilidad y el poder de resolucion del ensayo. En efecto, una vez fijada la f optima, el selector de fase permitira hacer coincidir la direccion según la cual varia la señal como consecuencia de cambios en la variable a controlar, con la direccion de maxima sensibilidad del detector (vertical), correspondiendo por el contrario la direccion insensible del mismo (horizontal), a direcciones proximas a las que varia la señal por cambios en variables que no desean controlarse.

14 Compensacion de voltaje : En los equipos compensados en vacio, el voltaje en terminales de la bobina sin muestra conductora es cero ; en este caso los vectores impedancia parten del origen de coordenadas. Modificando adecuadamente los valores de resistencia y de inductancia variables del circuito de compensacion de voltaje, puede conseguirse que el voltaje en vacio sea distinto de cero, es decir que el origen de los vectores impedancia sea otro, logrando con ello mejorar el poder de resolucion del ensayo.

15 Ensayos multifrecuencia : Para una frecuencia de ensayo dada, c/variable modifica la señal de respuesta de forma diferente, definida por un vector, de direccion o fase y amplitud dadas, en el diagrama o plano complejo de impedancia, estando admitido y demostrado empiricamente que la señal de respuesta obtenida en el ensayo, es la resultente de la suma vectorial de todos los vectores correspondientes a c/u de las variables. Debido a ello, cuando mas de una variable esta afectando a la respuesta, la señal obtenida puede inducir a error en su interpretacion. Estos inconvenientes se intentan solucionar mediante el adecuado seteo de los parametros fundamentales de ensayo en c/aplicación concreta, a efectos de operar en zonas de buena resolucion.

16 Cuando esto no es posible, la alternativa es el empleo de ensayos multifrecuencia. Esta tecnica consiste, en esencia, en excitar la bobina con corrientes alternas de distintas frecuencias, de manera que analizando las señales multiples de respuesta a c/frecuencia, influenciadas por las diferentes variables de la muestra, se podra obtener en canales de respuesta separados, la lectura o registro individual de, simultaneamente, diversas variables de la muestra en ensayo. Otra forma de operar en los ensayos multifrecuencia consiste en eliminar de la señal de respuesta las componentes de las variables que no se necesita controlar. Para ello, una vez identificadas, las señales de las variables indeseadas se sustraen de la señal obtenida a una determinada frecuencia. Esta tecnica permite, asimismo, aumentar la relacion señal/ruido cuando a la señal de respuesta se le superponen las señales del ruido de fondo.

17 Existen equipos de deteccion de fallas por ensayo de corrientes inducidas en lineas de produccion de tubos, tales como el MAC-250 y similares, los cuales constan de un hardware y un software. Hardware : consta de un PC y equipos asociados. Torre Torre Monitor Monitor Impresora Impresora Teclado Teclado Circuito de modulacion Circuito de modulacion Circuito de rectificacion Circuito de rectificacion Circuito de amplificacion Circuito de amplificacion Filtros Filtros Etc. Etc. Bobinas (de ensayo y de saturacion magnetica de muestra) Dispositivos mecanicos Dispositivos opticos Dispositivos marcadores o pintadores Bocinas o alarmas sonoras Emisores de señales luminosas Etc.

18 Software : Programa MAC-250 o similares. Su menu principal consta de cuatro pantallas a saber : Pantalla de inspeccion Pantalla de inspeccion Pantalla de set-up Pantalla de set-up Pantalla auxiliar Pantalla auxiliar Pantalla de configuracion Pantalla de configuracion

19 Pantalla de inspeccion : En ella se describen : Los parametros del set-up Los parametros del set-up Los resultados de las inspecciones Los resultados de las inspecciones Las señales actuales Las señales actuales

20 Pantalla de set-up : En ella se estandarizan parametros tales como : Frecuencia Frecuencia Sensibilidad Sensibilidad Fase Fase Velocidad de ensayo Velocidad de ensayo Tamaño de zonas de control Tamaño de zonas de control Tipo de zonas de control Tipo de zonas de control Etc. Etc.

21 Pantalla auxiliar : En ella aparecen aquellos parametros que generalmente se mantienen fijos una vez definido el tipo de inspeccion a realizar, tales como : Diametro exterior del tubo a ensayar Diametro exterior del tubo a ensayar Largo maximo de pieza Largo maximo de pieza Maximo tiempo de inspeccion Maximo tiempo de inspeccion Tiempo de actualizacion de pantalla Tiempo de actualizacion de pantalla Acondicionamento de la señal Acondicionamento de la señal Etc. Etc.

22 Pantalla de configuracion : En ella aparecen aquellos parametros que generalmente se mantienen fijos una vez definida la configuracion del sistema, es decir quedan determinados al instalar el equipo y no deben ser modificados salvo casos excepcionales, tales como : Caracteristicas de los equipos remotos Caracteristicas de los equipos remotos Tipo de inspeccion absoluta o relativa Tipo de inspeccion absoluta o relativa Sistema de unidades ingles o metrico Sistema de unidades ingles o metrico Caracteristicas de configuracion de las salidas del sistema Caracteristicas de configuracion de las salidas del sistema Tipo de impresión de inspecciones Tipo de impresión de inspecciones Tipo de impresora Tipo de impresora Etc. Etc.

23 Pantalla de inspeccion MAC-200

24 Pantalla de inspeccion MAC-250

25 La pantalla de inspeccion es asociable a un radar, donde la señal corresponde a un punto blanco (como las lecturas son en forma continua, los puntos se unen formando curvas ).Dicho punto es interpretado como el extremo de un vector centrado en el radar, por lo que es asociable un modulo y un angulo : Modulo : indica el orden de error, cuanto mayor sea implicara un defecto mas critico Modulo : indica el orden de error, cuanto mayor sea implicara un defecto mas critico Angulo : asociable a las caracteristicas de la falla ( espesor, profundidad, largo, etc ) ; debe ser analizado en c/caso por separado Angulo : asociable a las caracteristicas de la falla ( espesor, profundidad, largo, etc ) ; debe ser analizado en c/caso por separado

26 En la pantalla de inspeccion se pueden distinguir cuatro sectores, los cuales podran ser asociados a diferentes tipos de defectos por magnitud y/o por clase. En aquellos casos en que se detecten fallas, se puede setear el equipo de forma que emita una señal luminosa, active una alarma sonora, accione un pintador, o ponga en funciones algun otro tipo de dispositivo mecanico.

27 Selección de bobinas Se trabaja con solenoides envolventes de doble bobinado, mediante la tecnica de control diferencial por autocompensacion de la propia muestra. Ventajas : Mayor rapidez y mas facil automatizacion del ensayo Mayor rapidez y mas facil automatizacion del ensayo Compensacion de las variaciones de permeabilidad magnetica, conductividad electrica y dimensionales de la muestra Compensacion de las variaciones de permeabilidad magnetica, conductividad electrica y dimensionales de la muestra Alta sensibilidad a la deteccion de discontinuidades Alta sensibilidad a la deteccion de discontinuidades

28 El diametro de las bobinas se elige lo mas proximo posible al de los tubos a testear, a efectos de hacer mas sensible el ensayo. De no disponer de las bobinas apropiadas al diametro de los tubos a controlar, se utilizara aquellas mas proximas ( de mayor diametro interior ) y se las usara descentradas respecto al pasaje de los tubos, de forma que los cordones de soldadura se encuentren mas cercanos a la superficie interior de estas. Dicha separacion debera ser no mayor de 2mm. Se debe asegurar una correcta refrigeracion por aire de las bobinas, pues existe una importante generacion de calor y hay que disiparlo. El diametro de las bobinas se elige lo mas proximo posible al de los tubos a testear, a efectos de hacer mas sensible el ensayo. De no disponer de las bobinas apropiadas al diametro de los tubos a controlar, se utilizara aquellas mas proximas ( de mayor diametro interior ) y se las usara descentradas respecto al pasaje de los tubos, de forma que los cordones de soldadura se encuentren mas cercanos a la superficie interior de estas. Dicha separacion debera ser no mayor de 2mm. Se debe asegurar una correcta refrigeracion por aire de las bobinas, pues existe una importante generacion de calor y hay que disiparlo.

29 Bobinas comerciales disponibles

30 Cuando se utilizan bobinas de saturacion ( para materiales ferromagneticos ), la alimentacion eletrica se realiza desde una fuente externa reguladora de voltaje, cuya ddp depende de la saturacion del flujo magnetico del material de los tubos. La falta de saturacion se traduce en una mayor inestabilidad de la señal en el monitor y se corrige aumentando el voltaje. Dicho incremento esta limitado por la mayor circulacion de corriente que genera, y por lo tanto el mayor calentamiento de las bobinas por efecto Joule ( se aconseja limitar la corriente a l2 amperios en periodos cortos y 10 amperios para periodos largos ). Cuando se utilizan bobinas de saturacion ( para materiales ferromagneticos ), la alimentacion eletrica se realiza desde una fuente externa reguladora de voltaje, cuya ddp depende de la saturacion del flujo magnetico del material de los tubos. La falta de saturacion se traduce en una mayor inestabilidad de la señal en el monitor y se corrige aumentando el voltaje. Dicho incremento esta limitado por la mayor circulacion de corriente que genera, y por lo tanto el mayor calentamiento de las bobinas por efecto Joule ( se aconseja limitar la corriente a l2 amperios en periodos cortos y 10 amperios para periodos largos ).

31 Calibracion: Un requisito basico para lograr resultados confiables y comparables es lograr una correcta calibracion del equipo. Esto se logra mediante la aplicación de patrones que consisten en reproducir geometrias de defectos que sean comparables con aquellos que se desea detectar. Los requerimientos para estos patrones se pueden encontrar en normas especializadas como ASTM ( E309-95 para materiales ferromagneticos y E426-98 para los no ferromagneticos). En general son piezas especialmente seleccionadas para asegurar la ausencia de indicaciones que luego se mecanizan.

32 Dado que en virtud de la produccion automatizada continua de las lineas formadoras de tubos, resulta practicamente imposible reproducir manualmente las condiciones operativas, en particular de movimiento de los tubos a traves de las bobinas, a los efectos de la calibracion del equipo con referencias estandar, se sugiere proceder como sigue: sobre las laminas que sirven de material de partida para la confomacion de los tubos, antes de ingresar en la fomacion y con la formadora detenida, se procede a crear tres tipos de defectos separados entre si por 300mm.

33 Tipos de defectos

34 Selección de frecuencia Generalmente se toma como criterio que la frecuencia media ( f m ) de aplicación para una buena profundidad de penetracion es aquella para la cual la reduccion de la densidad de corriente en la cara interna del tubo respecto de la correspondiente en su cara externa es de un 30% y que la frecuencia maxima (f max ) de aplicación que no debe ser superada es aquella para la cual dicha reduccion es de un 63% ( esto es, cuando el espesor, e, coincide con la profundidad efectiva de penetracion, δ ). f max (Hz) = (660,4) 2 [ e(mm)] 2. σ ( % IACS).μ r (adimensional) f m = f max 2

35 Dentro de este rango de frecuencias, se elige como frecuencia optima de ensayo aquella para la cual : la relacion señal/ruido es 3 o mas (lo que se logra cuando hay una buena capacidad de modulacion y filtrado de la señal de respuesta ) y tanto sensibilidad como velocidad de ensayo son adecuadas. Dentro de este rango de frecuencias, se elige como frecuencia optima de ensayo aquella para la cual : la relacion señal/ruido es 3 o mas (lo que se logra cuando hay una buena capacidad de modulacion y filtrado de la señal de respuesta ) y tanto sensibilidad como velocidad de ensayo son adecuadas.

36 Selección de sensibilidad: Se debe setear a traves de la ganancia de la señal acondicionada, el valor de la sensibilidad de modo que los tres defectos sean detectados. Los defectos 1 y 2 deben ser detectados sin saturar y salir de rango la señal en pantalla. El defecto 3 debera ser siempre detectado, en caso contrario no estara listo el equipo para emplearlo en inspeccion de produccion.

37 Selección de fase: Se regulara el valor de angulo de fase de modo que la señal de la deteccion del defecto tipo 3 este orientada en forma vertical. Esto implicara que la señal del defecto tipo 1, este girada 45° en sentido horario y la del defecto tipo 2, 45° anti-horario respecto de la vertical.

38 Esto nos permitira por observacion de la señal en pantalla, durante el control de calidad de la produccion de tubos; según el angulo y modulo del vector señal : Esto nos permitira por observacion de la señal en pantalla, durante el control de calidad de la produccion de tubos; según el angulo y modulo del vector señal : Discriminar entre discontinuidades superficiales internas, superficiales externas y perforaciones Discriminar entre discontinuidades superficiales internas, superficiales externas y perforaciones Extraer informacion adicional de las caracteristicas de la falla, las cuales deberan ser analizadas individualmente en cada caso. Extraer informacion adicional de las caracteristicas de la falla, las cuales deberan ser analizadas individualmente en cada caso. Estimar la criticidad de los defectos a traves de la ponderacion de su magnitud e importancia.

39 Tambien podra llevarse un registro impreso o en diskette de la totalidad de la produccion de tubos ensayada, pudiendose con ello archivar la informacion detallada del reporte obtenido para cada tubo fabricado. Adicionalmente mediante el acople de equipos remotos, podran asociarse las señales en pantalla de inspeccion dentro de los distintos sectores, con la emision de señales luminosas, bocinas, pintadores, etc., que las identifiquen y/o localicen al momento de detectarse. Tambien podra llevarse un registro impreso o en diskette de la totalidad de la produccion de tubos ensayada, pudiendose con ello archivar la informacion detallada del reporte obtenido para cada tubo fabricado. Adicionalmente mediante el acople de equipos remotos, podran asociarse las señales en pantalla de inspeccion dentro de los distintos sectores, con la emision de señales luminosas, bocinas, pintadores, etc., que las identifiquen y/o localicen al momento de detectarse.