Curso de Ensayos No Destructivos Ultrasonido nivel 1 – Medición de espesores Repaso general Mayo de 2011 Ing. Silvia Infanzón

Definición de END Uso de una forma particular de energía para obtener una información específica sobre un componente o sistema de partes sin afectar su utilidad Los END son INDIRECTOS Ningún ensayo es capaz de detectar todas las discontinuidades presentes en un material Son complementarios

Métodos de END “tradicionales” PT MT UT RT ET VT

Instrumentos para el ensayo por ultrasonido industrial Medidores de espesores que con pantalla scan A (y B) y resultado numérico Medidores de espesores que despliegan un resultado numérico (digitales) Detectores de falla

Campo de audibilidad de las Vibraciones Mecánicas 20 Hz 20KHz INFRASONIDO SONIDO AUDIBLE ULTRASONIDO Audible: 20 a 20000 Hz Aplicaciones industriales: 0.5 a 20 MHz

El Objeto a ensayar El método y la técnica deben estar adecuados al objeto y a lo que se pretende detectar Es muy importante conocer: todo lo relativo al objeto que se va a ensayar y sus condiciones particulares de operación el proceso de fabricación de la pieza o componente y discontinuidades asociadas Las propiedades del material Los mecanismos de falla actuantes y el tipo de discontinuidades que pueden originar

Discontinuidad Defecto ? Discontinuidad Defecto No existe pieza “perfecta”, toda pieza tiene “discontinuidades” DISCONTINUIDAD es la PÉRDIDA de la HOMOGENEIDAD del MATERIAL DEFECTO es una DISCONTINUIDAD INACEPTABLE, que debe ser REPARADA

Discontinuidad Defecto ? Discontinuidad Defecto Todo defecto es una discontinuidad, no toda discontinuidad representa un defecto Mediante END se obtienen indicaciones que pueden ser interpretadas como discontinuidades Para determinar qué discontinuidades son defectos se requiere de un criterio de aceptación El criterio de aceptación establece los límites entre discontinuidades aceptables y rechazables que se deben reparar (defectos)

Ventajas del ultrasonido Alta sensibilidad para discontinuidades planas y pequeñas Usualmente sólo necesita acceso a una superficie Portátil Puede ensayar piezas de gran espesor o grandes longitudes Resultados casi instantáneos por medios electrónicos Permite automatización Desventajas del ultrasonido Necesita acpplante, superficies en buenas condiciones Es difícil inspeccionar piezas con geometrías complejas e irregulares Dificultades si hay grano grueso o estructuras no homogéneas Se requiere mucho entrenamiento y experiencia. Barrido manual cuidadoso Se necesitan patrones

¿Que se debe cumplir para obtener una certificación? Capacitación: entrenamiento formal Experiencia (real) Examen físico, como mínimo acuidad visual Examen teórico, específico y práctico Emisión del certificado firmado por un representante del empleador y el nivel III ASNT o por la entidad certificadora Satisfacer los requisitos de la Práctica Escrita de la empresa para ASNT

Certificación UT en ANCAP UT nivel I UT nivel II UT nivel I – medición de espesores UT nivel II – medición de espesores UT nivel III

Examinación Prueba teórica: múltiple opción, sin consulta de material Prueba específica: Preguntas sobre la aplicación específica del método, con referencia a procedimientos escritos de la empresa y a normas técnicas Prueba práctica: Ensayo e informe de varias piezas con discontinuidades conocidas

Diferentes sistemas ISO 9712 y EN 473 son sistemas centralizados, quien certifica es una ENTIDAD CERTIFICADORA, un “tercero” ASNT Recommended Practice TC-1A es un sistema en el cual el que certifica es la propia EMPRESA, en este caso, ANCAP, según la Práctica Escrita de la propia empresa

CONCEPTOS BÁSICOS EN ULTRASONIDO El medio no es transportado, solo se producen vibraciones en torno a posiciones de equilibrio Las ondas ultrasónicas se pueden superponer Las ondas se ven afectadas por las limitaciones del medio

1 ciclo en 1 segundo = 1 Hertz Frecuencia 1 ciclo en 1 segundo = 1 Hertz

20 ciclos en 1 segundo = 20 Hz 20 ciclos en 10-6 s = 20 x 10 6 Hz 20 x 10 6 Hz = 20 000 000 Hz = 20 MHz

Ondas + _ Frecuencias habituales: 0.5 a 25 MHz. Aceros 2 a 5 MHz Tiempo transcurrido Amplitud Frecuencias habituales: 0.5 a 25 MHz. Aceros 2 a 5 MHz

Tareas del operador en Ultrasonido Detectar, Localizar, Evaluar, Diagnosticar los Reflectores

v =  f Conceptos básicos: Vibración Desplazamiento Amplitud Frecuencia (f) Longitud de onda () Velocidad acústica (v) Amplitud de la oscilación Presión sonora v =  f

Método y técnica de END Ultrasonido es un método de END, porque aplica una misma forma de energía en la pieza (principio de operación) Una técnica es una forma particular de aplicación de un método de ensayo

Técnicas de Ensayo Contacto directo Inmersión Transmisión Reflexión o pulso-eco Resonancia

Transmisión

Reflexión impulsos sónicos

Esquema básico del ensayo de medición de espesores por ultrasonido

¿Qué sucede en este caso?

¿Qué sucede en estos casos?

Velocidad acústica o de propagación Depende del material Varía con la temperatura Depende del modo de vibración Vincula la longitud de onda y la frecuencia v = f 

Mínima compresión (rarefacción) Máxima compresión v = f   = v / f Al elegir la frecuencia del palpador, se elige la longitud de onda

Mínimo tamaño de discontinuidad detectable

MODOS DE VIBRACION Ondas longitudinales o de compresión Ondas transversales o de corte Ondas superficiales o de Rayleigh Ondas de Lamb o de chapa

Velocidad de propagación Depende del material En general: VT  0.5 VL Las ondas longitudinales son el modo de vibración de mayor velocidad de propagación En las aplicaciones usuales de medición de espesores por ultrasonido se utilizan ondas longitudinales

Velocidad de propagación   ACERO Aluminio AGUA AIRE VL (m/s) 5900 6300 1480 330 VT (m/s) 3230 3130

Medio de acoplamiento El acoplante evacua el aire, que de lo contrario sería una capa del orden de 10-4 mm (0.1 μm) que no permitiría la transmisión acústica Las propiedades principales del acoplante son: No afectar la superficie, no causar corrosión Asegurar un buen contacto acústico del palpador con la pieza Tener suficiente viscosidad para la aplicación en cuestión Se debe usar el mismo acoplante para la calibración y la inspección. Un cambio afecta la sensibilidad del ensayo e influye especialmente cuando se utilizan la amplitud de los ecos (% pantalla) en la evaluación

El acoplante no debe afectar al material a ensayar En el caso de aleaciones en base a níquel, pueden ser dañadas si el acoplante contiene azufre En el caso de aceros inoxidables austeníticos, los haluros (cloruros y fluoruros) pueden ocasionar daños ASME V, Artículo 4 establece los límites de 250 ppm de azufre para aleaciones en base a níquel y 250 ppm de haluros (cloruros + fluoruros) para aceros inoxidables austeníticos

En la técnica pulso eco, contacto directo: ¿Por qué el aire no permite el pasaje del ultrasonido? ¿Por qué el acoplante si lo permite? ¿Qué cantidad de energía se transmite al incidir la onda ultrasónica en una interfase entre 2 medios?

R + T = 1 La energía reflejada sumada a la transmitida igualan a la energía incidente

Incidencia normal a la interfase entre 2 medios Impedancia acústica Z = ρ V RE = % de energía reflejada en el medio 1 TE = % de energía transmitida al medio 2

Impedancia acústica (Z) Es la resistencia del medio al paso del ultrasonido Z = d V Permite conocer la cantidad de energía que se va a transmitir a través de una interfase entre 2 materiales diferentes Es importante en el diseño de los palpadores Está vinculada con la absorción dentro del medio

Interfase entre 2 medios Se define “interfase” a la superficie entre 2 medios de diferente impedancia acústica Entre 2 medios (o materiales) con impedancias acústicas similares se transmite la mayor parte de la energía y se refleja muy poca Entre 2 medios con impedancias acústicas muy diferentes entre sí no se transmite casi nada de energía y se refleja todo el sonido

Ondas en espacios limitados En la práctica el material en el cual se propagan las ondas tiene dimensiones limitadas. Siempre debemos preguntarnos: ¿Qué sucede cuando una onda se encuentra con una interfase?

Ejemplo: Pieza con caras planas y paralelas Reflexión de ecos múltiple

Palpadores Normales Angulares Duales Palpadores de inmersión Palpadores de contacto Normales Angulares Duales

Palpador normal (monocristal)

Palpador Emisor-Receptor o dual o SE o TR Parte del recorrido sónico se produce dentro del palpador, lo que produce un importante retardo en el palpador

Efecto piezoeléctrico Las ondas ultrasónicas son introducidas por medio de un EMISOR que vibra con una cierta FRECUENCIA, puede tener forma circular o rectangular, y también pueden tener las capacidad de oficiar como RECEPTOR El efecto piezoeléctrico es la propiedad de algunos materiales de transformar la energía eléctrica en oscilaciones mecánicas y viceversa la energía mecánica en eléctrica. A mayor espesor del cristal, menor es la frecuencia del haz producido

Materiales piezoeléctricos más utilizados Cuarzo Sulfato de Litio Titanato de Bario Cerámicas: p.e. Metaniobato de Plomo  

Comparación de cristales piezoelécticos El Titanato de Bario es el transmisor más eficiente El Sulfato de Litio es el receptor más eficiente El Sulfato de Litio es soluble en agua El Titanato de Bario puede sufrir envejecimiento

Formación del haz ultrasónico 49

Formación del haz ultrasónico 50

(D = diámetro del cristal) Campo cercano Es una zona cilíndrica donde hay grandes variaciones de presión de un punto a otro. Profundidad de campo cercano:  L0 = D2 f / 4 V  (D = diámetro del cristal)

Campo lejano Es una zona tronco cónica divergente donde la presión disminuye gradualmente del centro hacia los bordes. Ángulo de divergencia  para 20 dB:  tan 0 = 1.08 V / D f  

Clasificación teórica de las zonas del Campo Sónico 1- es difícil detectar discontinuidades pequeñas 2- es posible detectar discontinuidades, dependiendo de su tamaño 3- cualquier discontinuidad compatible con la longitud de onda puede ser detectada Es necesario tener en cuenta no solo la distancia, sino la forma y ubicación respecto al haz para evaluar el tamaño de las discontinuidades

Atenuación del haz ultrasónico La presión sonora va disminuyendo al alejarnos de la superficie de entrada del haz debido a: Divergencia del haz ultrasónico Absorción Dispersión Absorción+ Dispersión = Atenuación

Absorción de la energía ultrasónica La energía absorbida para un espesor dado depende de: La frecuencia: mayor absorción para mayor frecuencia La densidad del medio: mayor para menor densidad La velocidad de propagación Por absorción creciente: Al, acero, latón, bronce

Granos en un material metálico cristalino La dispersión depende del tamaño de grano respecto a la longitud de onda Dispersión en borde de grano

Algunas limitaciones del UT Acabado superficial de la pieza Temperatura Recubrimientos Geometría Características del material

Limitaciones de cada palpador Según f: Material que se puede ensayar Tamaño de discontinuidades más pequeñas que se pueden detectar Según D: Curvatura de la pieza Según f y D: Forma que tiene el hay ultrasónico Intervalo de espesores aplicable Zona en que no se puede ensayar

Medición de espesores con palpadores duales Cada palpador dual (SE) es construido para un intervalo de espesores dado Hay que seleccionar el palpador adecuado según el espesor y la curvatura de la pieza a medir

Palpadores duales Zona en que no puede medir e intervalo óptimo

Error de trayecto en V Algunos medidores de espesor tienen corrección por trayecto en V La diferencia por trayecto en V es mayor para espesores pequeños

Palpador Krautkrämer DA 301/DA 401 No puede medir espesores menores a 1.2 mm aprox. La máxima sensibilidad del palpador se obtiene para espesor 8 mm No se pueden medir espesores mayores a 200 mm No puede medir piezas de diámetro menor a 25 mm

Medición de espesores de piezas curvas con palpadores duales

Otra limitación: acople Ejemplos: Superficies muy corroídas Suciedad, cáscaras, restos de pintura, etc

Otra limitación: recubrimientos ?

Medición de espesor en piezas con pintura Se basa en la medición entre 2 ecos sucesivos Requiere de una superficie posterior de la pieza paralela a la de entrada que no tenga una corrosión importante que distorsione el segundo eco de fondo Si no se da un patrón de ecos de fondo sucesivos no se puede medir adecuadamente usando las funciones DUAL MULTI del DM4

Otra limitación: temperatura Los cristales piezoeléctricos pierden sus propiedades a altas temperaturas: SE DAÑA EL PALPADOR !!! Los acoplantes cambian sus propiedades con la temperatura La velocidad de propagación cambia con la temperatura

Importante limitación: geometría de la pieza a ensayar La onda ultrasónica se debe reflejar y regresar al palpador Se debe saber qué se quiere detectar y dónde colocar qué palpadores En materiales clad, dependiendo de los materiales, se tiene un eco de fondo del conjunto de 2 materiales diferentes Otro ejemplo de geometrías complejas: espárragos

Limitación mayor del UT CALIFICACIÓN Y CONFIABILIDAD DEL OPERADOR En general los END son muy dependientes del operador, pero en el caso de UT la dependencia es mayor y los controles posteriores no son tan sencillos. En el ultrasonido automatizado la dependencia es menor.

Tipos de instrumentos usados para medir espesores Instrumentos que solo muestran una lectura numérica (digital), por lo que históricamente se llamaron instrumentos digitales Medición de espesores con instrumentos con pantallas can A Instrumentos “estándar” o “tradicionales” también llamados “detectores de falla”

La Amplitud corresponde a energía y presión sónica

Ganancia La ganancia permite regular la amplificación que aplica el instrumento a las señales que recibe. Equivale a un control de volumen en una radio y es un parámetro fundamental del ensayo, ya que define la sensibilidad del mismo. Relaciona 2 señales Ganancia (en Decibell) = 20 log (A/A0 ) A, es la amplitud del eco en la pantalla

Scan A

Scan B

Scan C

Scan A

Superficie protectora Palpador normal Cero eléctrico (pulso inicial) Cero mecánico (superficie) Cristal Superficie protectora

Palpador Emisor-Receptor Parte del recorrido sónico se produce dentro del palpador, lo que produce el llamado retardo en la señal

Palpador Emisor-Receptor, dual, TR (Transmisor-receptor) o SE 79

Propiedades claves de un palpador Sensibilidad  Es la habilidad de obtener respuesta de pequeñas discontinuidades Depende de la eficiencia para convertir energía eléctrica en ultrasónica y viceversa.  Resolución Capacidad de obtener señales independientes de discontinuidades muy próximas entre sí. Capacidad de detectar discontinuidades en la zona cercana al punto de entrada a la superficie del material 80

Haz ultrasónico 81

Importancia de la forma del haz ultrasónico La reflexión que se obtiene de una discontinuidad depende de cómo se sitúa la misma respecto al haz ultrasónico Es de importancia el ángulo de incidencia y la distancia 82

Reflectores de diferente área

Reflectores a distinta distancia

Discontinuidades grandes respecto al haz

Reflectores reales

Selección de palpadores Tipo Tamaño Frecuencia Temperatura

Cambio en el diámetro del palpador A mayor diámetro, mayor campo cercano y menor divergencia

Cambio en la frecuencia del palpador A mayor frecuencia, mayor campo cercano y menor divergencia

Bloque tipo escaleras – V W

¿Qué mide este instrumento?

Este instrumento mide TIEMPO Calcula espesores en base a: La velocidad de sonido en el material ensayado El tiempo correspondiente al recorrido sónico dentro del palpador (retardo del palpador, ajuste de cero)

Calibración de un instrumento La comparación de un instrumento o el ajuste del mismo de acuerdo a una referencia conocida, normalmente cumpliendo requisitos de trazabilidad En ultrasonido se usan “patrones” o instrumentos de referencia para la calibración de los instrumentos

Calibración del medidor de espesores por ultrasonido Distinguiremos entre: VERIFICACIÓN AJUSTE DEL INSTRUMENTO En general se debe realizar la verificación Si al verificar se ve que el instrumento está fuera de tolerancia, se deberá ajustar Luego de ajustar el instrumento, se debe volver a verificar

Calibración del instrumento Se debe proceder a una verificación del instrumento usando al menos 2 espesores conocidos: Al encender el instrumento Cada vez que se cambie algún elemento del conjunto instrumento, cable, palpador, acoplante, operador Cada una cantidad de medidas o intervalo de tiempo establecidos por procedimiento Antes de apagar el equipo Si al realizarse una verificación las medidas están fuera de tolerancia, se debe proceder al ajuste del instrumento

Calibración de medidores de espesores digitales (que solamente muestran un número en la pantalla) Velocidad: Se puede entrar numéricamente, si se conoce el valor Se puede calcular en base a un espesor conocido Ajuste de cero: Se puede calcular automáticamente por el instrumento, en algunos casos se pude optar por diferentes modos de ajuste de cero automático En algunos instrumentos se puede calcular cuando lo indicamos Se calcula en base a un espesor conocido cuando se realiza la calibración en 2 puntos

Selección de espesores para calibración para medición de espesores Es conveniente realizar la calibración (ajuste del instrumento y verificación) en el intervalo a medir, por ejemplo entre 2 y 7 mm si vamos a medir espesores de 6 mm en una pieza donde puede haber corrosión e importante disminución de espesor Cuando se requiere mayor precisión, se debe ajustar en 2 espesores próximos inferior y superior al que se mide Siempre se usa el mayor espesor para el ajuste de la velocidad

Calibración para medición de espesores Siempre se usa el menor espesor para ajustar el retardo del palpador o cero y el mayor espesor se debe usar para calcular la velocidad Mientras realiza el ensayo el operador debe reconocer valores demasiado altos o demasiado bajos, por eso debe conocer el espesor nominal

Medición de espesores con palpadores duales Cada palpador dual (SE) es construido para un intervalo de espesores dado Hay que seleccionar el palpador adecuado según el espesor y la curvatura de la pieza a medir

Palpador Krautkrämer DA 301 No puede medir espesores menores a 1.2 mm aprox. La máxima sensibilidad del palpador se obtiene para espesor 8 mm No se pueden medir espesores mayores a 200 mm No puede medir piezas de diámetro menor a 25 mm

Palpadores DA 3XX

Cables coaxiales

Posibles formas de medir del DM4 Mide el tiempo entre una marca (inicio del conteo) y el eco definido Mide el tiempo entre 2 ecos sucesivos

Medición usando el primero eco de fondo La medida se ve afectada por los recubrimientos: Si el espesor del recubrimiento es parejo y está bien adherido, se puede retirar el mismo en un conjunto de puntos y luego medir con recubrimiento y corregir la medida De lo contrario se debe retirar el recubrimiento para medir

Medición entre 2 ecos Requiere que existan ecos múltiples claros Puede ser imposible de aplicar en superficies corroídas

Medición de espesor en piezas con pintura Se basa en la medición entre 2 ecos sucesivos Requiere de una superficie posterior de la pieza paralela a la de entrada que no tenga una corrosión importante que distorsione el segundo eco de fondo Si no se da un patrón de ecos de fondo sucesivos no se puede medir adecuadamente usando las funciones DUAL MULTI del DM4

DUAL MULTI Principio Eco de la interface 1. Eco de fondo Comp. A Comp. B

Algunos posibles errores en la medición de espesores Error de trayecto V Valores iguales al doble o triple del espesor para espesores bajos Valores correspondientes a reflectores distintos de la pared posterior de la pieza (inclusiones, segregaciones, microfisuras, etc) Valores incorrectos o imposibles de obtener debido a incorrecta preparación de la superficie, corrosión, picaduras, acabado superficial, etc.

Muchos de estos errores se pueden evitar usando un instrumento con pantalla Scan A Por ejemplo GE: DMS 2 E Simplificado DMS 2 Solución general DMS 2 TC Solución TopCoat 1 1 110

Laminación

Instrumentos para la medición de espesores con pantalla scan A Permiten ver mejor la diferencia en: Acoplamiento Insuficiente amplificación Señales que distorsionan la medida debido a la estructura de grano o discontinuidades internas Estas señales se pueden reconocer, eliminar o interpretar correctamente

Conceptos involucrados en cualquier medición Exactitud Precisión Errores sistemáticos y aleatorios Error absoluto y relativo Valor medio y cálculo de error Distribución normal o de Gauss

Normas y Códigos De acuerdo con la pieza a ensayar Referentes a la técnica y procedimiento de ensayo Referentes a la pieza a ensayar y al criterio de aceptación (definición de defecto y reparación)

Contenidos genéricos: requisitos Calificación y certificación de personal Procedimientos, demostración, calificación, aceptación Caracterísitcas del sistema de examinación Bloques de calibración Extensión de la examinación y volumen a cubrir Evaluación y criterios de aceptación Registros Informes

Normas y Códigos De acuerdo con la pieza a ensayar Referentes a la técnica y procedimeinto de ensayo Referentes a la pieza a ensayar y al criterio de aceptación (definición de defecto y reparación)

Hemos visto Requisitos usuales en normas Titulares de ASME Ejemplo de medición de espesores en servicio y en fabricación Ejemplo de normas ASTM Contenidos de un procedimiento Detalles relativos a algunos parámetros

Ejemplo: Frecuencia Menor frecuencia: mayor longitud de onda Menor frecuencia: mejor penetrabilidad peor resolución peor sensibilidad Menores frecuencias: piezas de mayor porte, fundición, ejes largos, soldaduras pesadas Mayores frecuencias: secciones delgadas, soldaduras livianas, componentes de aviación