Curso Ultrasonido Nivel I
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CURSO DE ULTRASONIDO NIVEL I Según requisitos de ASNT-SNT-TC-1A
INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN GENERAL
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Introducción a los Ensayos No Destructivos
Ensayos No Destructivos Son los métodos empleados para examinar o inspeccionar una pieza, material o sistema, sin que esto altere su operatividad a futuro.
3
Introducción a los Ensayos No Destructivos
Elementos básicos de los Ensayos No Destructivos Objeto o parte a ser inspeccionada. Campo penetrante ( electromagnético, elástico, líquido, radiación...) Cambios en el campo, por efectos del objeto. Detección de los cambios producidos. Indicación y registro de los cambios. Interpretación. Toma de decisión. 4
Introducción a los Ensayos No Destructivos Aplicaciones de los Ensayos no Destructivos Verificación de la integridad física de materiales / equipos. Evaluaciones médicas y veterinarias. Aseguramiento y control de calidad durante la producción de bienes. Identificación positiva de materiales. Clasificación y diferenciación entre materiales similares. Estimación de vida útil remanente. Verificación de reparaciones practicadas. Prevención de accidentes y análisis de fallas. 5
Introducción a los Ensayos No Destructivos
Ventajas en el uso de Ensayos no Destructivos Evita altos costos de fallas. Contribuye con la imagen del producto y de la empresa. Se ajusta a las exigencias crecientes de las nuevas tecnologías. Previene el incremento de costos aguas abajo en los procesos. Se adapta a las exigencias por la seguridad pública. Permite optimar los diseños y prototipos.
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ESTÁNDARES PARA LA CALIFICACIÓN DEL PERSONAL QUE REALIZA ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS.
7
ASNT - SNT - TC - 1A
• Práctica recomendada. • Base para el desarrollo de prácticas escritas de cada empleador. • Referida por códigos y especificaciones: AWS D1.1, API 650 = uso obligatorio. ASME VIII, API 1104 = ASNT ó ACCP. • Lineamientos generales para calificación y certificación de personal en Ensayos no Destructivos. • Cubre 12 técnicas diferentes (Emisión acústica, electromagnética, fugas, líquidos penetrantes, partículas magnéticas, radiografía con neutrones, radiografía , térmica infrarroja, ultrasonido, análisis de vibraciones, laser ( holografía profilometría) y visual) • 3 niveles de certificación.
8
CALIFICACIÓN VS. CERTIFICACIÓN
CALIFICACIÓN: Implica el conocimiento y experiencia demostradas (entrenamiento y experiencia documentados) necesarios para la apropiada ejecución de las labores del trabajo específico.
CERTIFICACIÓN: Es el testimonio escrito de la calificación de una persona, para una tarea en particular.
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CERTIFICADO DE APROBACIÓN Otorgado a:
PEDRO JOSÉ GÓMEZ CASTRO Por haber cumplido con los requisitos de capacitación formal y haber aprobado los exámenes según la Práctica Recomendada ASNT-TC-1A en:
RADIOGRAFÍA (RT) NIVEL II Curso y exámenes efectuados por SGS en la ciudad de Lima – Perú del 08 al 12 de Marzo de 2004
Examen General: Examen Específico: Examen Práctico:
83% 90% 70%
Este documento certifica el cumplimiento de las 40 horas de capacitación formal, así como la aprobación de los exámenes con los puntajes arriba indicados. Este documento no acredita el cumplimiento de los requisitos mínimos de experiencia, calificación previa Nivel I, ni de agudeza visual establecidos en la Práctica Recomendada ASNT-TC-1A.
_______________________________ Edgardo Ferrer Inspector ASNT-NDT-Nivel III o N Registro ASNT: 118835 (Miami, Florida)
_______________________________ Gino Cálamo Product Manager Industrial Services
SSC-VE-CAL-0004
SGS del Perú S.A.C. Av. Elmer Faucett 3348 Callao - Perú Teléfono: (511) 575-2030
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CERTIFICADO DE CERTIFICADO DE ASISTENCIA ASISTENCIA Otorgado a: a:
JOSÉ ANTONIO GÓMEZ GÓMEZ Por haber asistido al curso de:
Por haber asistido al curso de:
RADIOGRAFIA (RT) NIVEL NIVEL IIII RADIOGRAFIA (RT)
(Según la práctica recomendada ASNT- TC-1A)
(Según la práctica recomendada ASNT- TC-1A) Curso efectuado en la ciudad de Lima – Perú del 08 al 12 Marzo de Curso efectuado en de la ciudad de 2004 Lima – Perú
del 08 al 12 de Marzo de 2004
Este documento no implica la aprobación de los exámenes de calificación ni el cumplimiento con los certificaciónde previstos en la norma Este documento no requisitos implica ladeaprobación los exámenes de ASNT-TC-1A. calificación ni el
cumplimiento con los requisitos de certificación previstos en la norma ASNT-TC-1A.
_______________________________ Edgardo Ferrer Inspector ASNT-NDT-Nivel III _______________________________ o NEdgardo Registro ASNT: 118835 (Miami, Florida) Ferrer
Inspector ASNT-NDT-Nivel III o N Registro ASNT: 118835 (Miami, Florida)
_____________________________ Gino Cálamo Product Manager _____________________________ Industrial Services Gino Cálamo
Product Manager Industrial Services
SSC-VE-ASI-0026
SSC-VE-ASI-0026
SGS del Perú S.A.C. Av. Elmer Faucett 3348 Callao - Perú Teléfono: (511) 575-2030
SGS del Perú S.A.C. Av. Elmer Faucett 3348 Callao - Perú Teléfono: (511) 575-2030
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REGISTRO DE CALIFICACIÓN Otorgado a:
PEDRO ANTONIO GONZÁLEZ Por haber cumplido con los requisitos mínimos de la práctica ASNT-TC-1A para ser certificado por su empleador en:
RADIOGRAFÍA (RT) NIVEL II Curso y exámenes efectuados por SGS en la ciudad de Lima – Perú del 08 al 12 de Marzo de 2004
SGS mantiene los siguientes registros de información: Exámenes Nivel Educativo Capacitación Experiencia Agudeza Visual
General = 90% / Específico = 95% / Práctico = 98% Ingeniero 40 horas adicionales al requisito de Nivel I Mayor a 9 meses ó 630 horas adicionales al nivel I (*) OK y vigente hasta el 05-03-05 (**)
(*) La experiencia registrada fue adquirida en un período de tiempo entre 4.5 y 27 meses. (**) Se recomienda verificar anualmente el certificado de agudeza visual durante la vigencia del presente registro.
Vigencia del presente registro: del 12 de Abril de 2004 al 12 de Abril de 2007
_______________________________ Edgardo Ferrer Inspector ASNT-NDT-Nivel III o N Registro ASNT: 118835 (Miami, Florida)
_______________________________ Gino Cálamo Product Manager Industrial Services
SSC-VE-REG-0001
SGS del Perú S.A.C. Av. Elmer Faucett 3348 Callao - Perú Teléfono: (511) 575-2030
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Ejemplos de certificaciones y membresías
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Clasificación según ASNT: PERSONAL CALIFICADO Nivel I:
Calificado para practicar ensayos específicos.
Nivel II:
Calificado para practicar ensayos, interpretar resultados según normas y elaborar reportes.
Nivel III:
Calificado para hacer/aprobar procedimientos, interpretar resultados, asesorar y adiestrar personal
PERSONAL NO CALIFICADO Aprendices (trainee):
No calificado / trabajo tutelado / sin toma de decisiones. 14
Responsabilidades del nivel I en cualquier técnica. .
• Calibraciones de equipos de inspección para practicar ensayos específicos. • Llevar a cabo calibraciones e interpretaciones particulares, siguiendo instrucciones escritas. • Realizar ensayos bajo supervisión de un nivel II o III. • Registrar resultados y elaborar reportes. • Clasificar resultados de acuerdo a criterios documentados, con aprobación del nivel II ó III. • No es responsable por el diseño y selección del método de inspección o la técnica a ser empleada.
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Responsabilidades del nivel II en cualquier técnica. .
• Calibraciones de equipos de inspección según normas aplicables. • Interpretar resultados de ensayos, siguiendo las normas aplicables. • Entrenar y/o guiar aprendices y personal nivel I, bajo la supervisión de un nivel III. • Manejar las limitaciones y alcance de la técnica. • Registrar resultados y elaborar reportes.
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Responsabilidades del nivel III en cualquier técnica. . • Desarrollar, calificar y aprobar procedimientos. • Interpretar normas y procedimientos aplicables. • Seleccionar los métodos y técnicas más convenientes. • Interpretar y evaluar resultados de ensayos, según las normas. • Establecer criterios de aceptación cuando estos no estén definidos. • Entrenar y calificar a personal nivel I y II. • Según requisitos de la práctica escrita, puede ser calificado por la empresa empleadora o por ASNT directamente, en cuyo caso se le denomina ASNTNDT-Level III.
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Educación, entrenamiento y experiencia:
Para calificarse inicialmente en alguna técnica en particular, hace falta cumplir con los requisitos mínimos en cuanto a los siguientes elementos: • • • • •
Nivel de escolaridad. Programa de capacitación formal. Experiencia acumulada. Aprobar los exámenes correspondientes. Aprobar exámenes de agudeza visual
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Calificación en Ultrasonido (UT): Requisitos típicos Nivel I Educación secundaria completa / 40 horas de capacitación (pueden reducirse a 30 si posee estudios universitarios) / 210 horas ó 3 meses de experiencia en la aplicación (obtenida durante un período de 45 días a 9 meses). Aprobar los exámenes general, específico, práctico y de agudeza visual. Nivel II Educación secundaria completa, 40 horas de capacitación adicional al nivel I / 840 horas (para RT II es 630 horas) ó 9 meses de experiencia como nivel I (obtenida durante un período de 4.5 a 27 meses). Aprobar los exámenes general, específico, práctico y de agudeza visual. 19
Dudas típicas
¿Puede alguien calificarse como nivel II sin haber sido nivel I? Si, siempre y cuando ejecute capacitación formal por un tiempo igual a la suma de las horas requeridas para nivel 1 y 2. Igualmente debe reunir la sumatoria de las horas de experiencia necesarias para nivel 1 y 2. Las horas de experiencia necesaria para ser nivel 2, deben ser ejecutadas en actividades que haría un inspector nivel 1. ¿Puede alguien calificarse en varios métodos (UT, RT, PT), a la vez? Si, en este caso, el tiempo de experiencia puede acumularse de manera simultánea para varias técnicas si el inspector dedica al menos el 25% de su tiempo a cada técnica a ser calificada...
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Evaluaciones para la calificación :
Examen anual de agudeza visual lejana (20/40 con o sin lentes), cercana (Jaeger J2 a 30 cm de distancia), cromática y de distinción de tonalidades de grises.
Exámenes de conocimientos (administrados por un nivel III), con resultado mínimo 70/100 y promedio mínimo 80/100: • General (min. 40 preguntas de principios) • Específico (min. 20 preguntas de aplicación, normas, equipo, procedimientos y técnicas). • De habilidad práctica (operación, min. 10 puntos de verificación en ensayo sobre muestras).
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Práctica escrita de la empresa
El empleador debe establecer una práctica escrita para el control del entrenamiento, calificación y certificación del personal NDT: Responsabilidad de cada nivel. Facultades y autoridades de cada nivel. Requisitos de evaluación, entrenamiento y experiencia. Pruebas prácticas periódicas. Condiciones de experiencia interrumpida. Registros, archivo y auditoría de la información. Vigencia de la certificación / re-certificación (nivel I y II = 3 años y nivel III = 5 años). Revocación por terminación laboral o faltas. 22
ANSI/ASNT CP-189
ALGUNAS DIFERENCIAS CON ASNT-SNT-TC-1A
Obligatoria cuando es aplicada (no opcional) Nivel III debe ser certificado directamente por ASNT y examinado por el empleador, para el trabajo específico. Describe los requisitos para ser instructor
23
ISO 9712
ALGUNAS DIFERENCIAS CON ASNT-TC-1A La certificación está centralizada en un Centro Nacional de Certificación. Existen centros de calificación independientes de los empleadores, que Administran los exámenes de los candidatos a certificación. Las certificaciones son emitidas por 5 años y son válidas para cualquier empleador. No goza del mismo reconocimiento que ASNT-TC-1A en términos de las normas de fabricación de origen norteamericano.
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CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Superficiales. Volumétricos Hermeticidad
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END (NDT) SUPERFICIALES
VT PT MT ET TIR (Termografía Infrarroja)
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END (NDT) VOLUMÉTRICOS
RT UT NRT (Radiografía Neutrónica) AE
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END (NDT) HERMETICIDAD (LT).
Cambio de presión. Hidrostática. Neumática. Pérdida de fluido. Detector de halógenos.
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El ultrasonido (UT) es un ensayo volumétrico, por lo tanto, solo aplicable para la detección de discontinuidades internas o ubicadas en la cara opuesta a la superficie desde la cual se efectúa la inspección.
INTRODUCCIÓN A LOS ENSAYOS POR ULTRASONIDO
1
Conceptos Calibración de equipos Es el acto de ajustar los equipos o instrumentos con los cuales se practican los Ensayos No Destructivos, con el propósito de garantizar que las mediciones o apreciaciones realizadas son confiables.
Verificación de la Calibración de equipos Es el acto de probar la precisión y/o sensibilidad de los Ensayos No Destructivos, con el propósito de definir si se requiere practicar ajustes de calibración de los equipos involucrados.
2
Conceptos Indicación Es la señal producida por el medio de detección de cada técnica. que puede ser percibida de forma cualitativa o cuantitativa y que requiere de análisis para determinar si obedece a una discontinuidad.
Discontinuidad Es toda indicación localizada e inherente al material en estudio, que nos señala una diferencia en el comportamiento de dicha área con respecto a su entorno. No todas las discontinuidades se consideran defectos, pero ameritan de análisis para determinar su aceptabilidad.
Defecto Es una discontinuidad que excede los límites permisibles establecidos en las regulaciones aplicables al caso particular y que por tanto debe ser rechazada. 3
Conceptos
Sensibilidad Capacidad de un determinado discontinuidades muy pequeñas.
ensayo
para
detectar
Resolución Capacidad de un determinado ensayo discontinuidades muy próximas entre si.
para
diferenciar
Conceptos específicos de la técnica de ultrasonido serán explicados a lo largo del curso. 4
En que consiste el ensayo por UT
Introducción de ondas mecánicas en el material y análisis de respuesta 5
Como funciona el equipo de Ultrasonido
Transductor o palpador convierte energía eléctrica en mecánica (vibración) Acoplante desplaza el aire y transfiere vibración al material Las ondas que se devuelven desde el material son mostradas en osciloscopio (Cathodic Ray Tube CRT) para análisis por parte del operador. 6
Generación típica del ultrasonido
El transductor es el corazón del equipo. Transforma tanto señales eléctricas en elásticas como elásticas en eléctricas. 7
Ventajas y limitaciones del método ultrasónico ALGUNAS VENTAJAS •
Puede usarse en la mayoría de los materiales
•
Muestra discontinuidades internas.
•
Permite el dimensionado preciso de las discontinuidades de forma directa
•
Es aceptado por variedad de códigos y estándares internacionales
•
Puede automatizarse
• • • •
Gran sensibilidad para pequeñas discontinuidades. Libre de riesgos para el operario y muy portátiles. Puede cubrir espesores tan altos como metros de acero Permite medir propiedades mecánicas de materiales tales como el módulo de elasticidad o módulo de Young. 8
Ventajas y limitaciones del método radiográfico ALGUNAS LIMITACIONES •
Requiere personal altamente entrenado y con mucha experiencia
•
Relativamente difícil interpretación de los resultados
•
Requiere buenas condiciones superficiales en la pieza a inspeccionar
•
Restricciones al ensayar geometrías complejas
•
Equipos relativamente costosos.
•
Puede no detectar discontinuidades oblicuas al haz de ultrasonido
9
Sonido
Es la señal producida por la vibración mecánica de las partículas de un medio cuando se desplaza una onda elástica a través del mismo. Es energía en movimiento que produce un desplazamiento elástico alternativo de las partículas del medio. El medio de transmisión puede ser sólido, líquido o gaseoso. Produce cambios de presión acústica que puede ser captado por un receptor tal como el oído o un sensor
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Espectro de Frecuencias en Ondas Mecánicas
Frecuencia = oscilaciones por segundo se mide en Hertz = 1/segundo Humanos solo escuchamos entre 17 Hz y 17 KHz Ultrasonido = frecuencias superiores a las detectables por el oído humano El rango de frecuencias de mayor aplicación industrial es de 0.1 a 30 MHz
Frec.
Long.
Energ. 11
Ondas mecánicas vs. electromagnéticas
Ondas mecánicas se propagan mediante el movimiento de masas (oscilación o vibración de la materia líquida, sólida o gaseosa). Ondas electromagnéticas desplazan energía sin masa (ejm. Fotones de luz o de rayos X). Pueden viajar en el vacío.
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Parámetros básicos de las ondas: λ A t
T λ = longitud de onda (metros) T = período de la onda (segundos) A = amplitud de la onda (metros) Frecuencia f = 1 / T (Hertz = 1/segundos) 13
Parámetros básicos de las onda:
Período: Es el tiempo requerido por la partícula para cumplir un ciclo completo de oscilación. Frecuencia: Es el número de oscilaciones o ciclos completos que da la partícula por unidad de tiempo. Se mide en Hertz. Amplitud: Es la distancia máxima de desplazamiento de la partícula partiendo desde su posición de reposo.
14
Parámetros básicos de las onda:
Longitud de onda: Es la distancia medida entre dos puntos de la onda, en igual condición de movimiento. Se relaciona con la Velocidad Acústica del material y la frecuencia mediante la ecuación: λ=V/f Velocidad de propagación: Es la velocidad de desplazamiento de la onda en el medio. Corresponde a la distancia recorrida en una unidad de tiempo. Depende de la densidad del material, módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, tipo de onda (longitudinal, transversal, superficial), etc. Es una propiedad del material que varía con la temperatura.
15
Velocidad de propagación de las ondas en algunos materiales
16
REVISIÓN DE ALGUNOS PRINCIPIOS FÍSICOS BÁSICOS DEL ULTRASONIDO
17
Comportamiento matemático de las ondas ultrasónicas
En ultrasonido, las deformaciones son muy pequeñas, por eso se dice que se trata de ondas en el rango elástico. 18
Comportamiento matemático de las ondas ultrasónicas Ecuación diferencial que modela el fenómeno u = desplazamiento de la partícula, t = tiempo, x = longitud diferencial de la pieza
La solución a la ecuación diferencial corresponde a la ecuación de una onda
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Tipos de ondas ultrasónicas
Las partículas oscilan en la misma dirección en que se propaga la onda. Efecto de compresión y expansión Se propagan en sólidos, líquidos y gases 20
Tipos de ondas ultrasónicas Ondas transversales o de corte (shear waves)
Las partículas oscilan en dirección perpendicular a la cual se propaga la onda. La velocidad de propagación es cercana a la mitad que en las ondas longitudinales Solo los sólidos resisten cargas de corte debido a su fuerte atracción intermolecular, por lo tanto LAS ONDAS TRANSVERSALES NO SE PROPAGAN EN LÍQUIDOS NI EN GASES. 21
Ondas superficiales o Rayleigh
Las partículas vibran formando elipses perpendiculares a la superficie del material y paralelas al desplazamiento de la onda. Penetran en el material solo el equivalente al valor de una longitud de onda. La velocidad acústica de la onda superficial es generalmente 11/12 de la velocidad transversal para el mismo material. La onda superficial es extremadamente sensible
22
Producción de los diferentes tipos de ondas
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Estimación de propiedades e identificación de materiales mediante ultrasonido (nivel II)
Midiendo las velocidades longitudinal y transversal del sonido en un material, así como su densidad, puedo calcular su módulo de Young y su módulo de Poisson, donde las velocidades V se calculan como dos veces el espesor “l” conocido de la pieza dividido entre el tiempo que el haz tarda desde que sale del palpador, atraviesa la pieza y regresa al palpador. 24
Principios básicos en Ultrasonido Atenuación Es la pérdida de energía que sufre la onda mientras transita por el interior del material. Se aprecia como una disminución gradual de la amplitud de la señal mientras atraviesa el material.
Reflexión Es el fenómeno de rebote de parte de la onda cuando atraviesa regiones con diferentes propiedades acústicas (ejm. Discontinuidades o extremo de la pieza)
25
Atenuación de las ondas
26
Atenuación de las ondas
27
Atenuación de las ondas
Atenuación por Absorción = disipación: Es debida a la conversión de energía cinética en energía calórica, debido a las fricciones internas en el material. A mayor frecuencia se pierde más energía que a baja frecuencia Para disminuir las pérdidas por absorción recomienda utilizar palpadores de baja frecuencia
se
Para compensar las pérdidas por atenuación se puede amplificar la señal del equipo con el control de ganancia.
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Atenuación de las ondas
Atenuación por Dispersión: La onda atraviesa infinidad de veces a través de inclusiones, bordes de grano, cambios de fase, etc. Su efecto es más grave que la absorción ya que podría enmascarar pequeñas discontinuidades. Se presenta como efecto grama sobre la pantalla del equipo A-Scan. Se recomienda bajar la frecuencia para reducir su efecto sobre la inspección.
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Medición de la atenuación
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Reflexión de las ondas
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PALPADORES
1
Palpadores rectos y angulares
2
Configuración de los palpadores normales o rectos
3
Configuración de los palpadores angulares
4
Tipos de palpadores angulares
5
Configuración de los palpadores o transductores
Los palpadores son los únicos responsables de las características y cualidades del haz ultrasónico. El elemento piezoeléctrico es el que transforma la energía eléctrica en oscilaciones a frecuencias ultrasónicas y viceversa. El cuerpo de amortiguación (damping) usualmente de cerámica con polvo metálico (alta impedancia acústica) Placa de protección sirve de pieza de desgaste durante el uso.
6
Efecto piezoeléctrico
Fenómeno descubierto por los hermanos Curie en 1880. La propiedad piezoeléctrica es característica del cuarzo, titanato de bario, metaniobato de plomo, sulfato de litio, niobato de litio, otros. Variación de volumen genera voltaje (sirve también para medir presión) e inyección de voltaje produce cambio de forma. 7
Materiales de los cristales
Por encima de temperatura de Curie pierden la propiedad piezoeléctrica. Las temperaturas de ensayo limitadas mayormente por los materiales adhesivos (pegas) que se usan para unir cada elemento dentro del palpador. Niobato de litio más costoso. 8
Tipos de palpadores:
Por la forma de acoplarse se clasifican en: Palpadores de Contacto. Palpadores para Inmersión.
9
Palpadores de Contacto:
El palpador (normal o angular) esta en contacto directo con la pieza a inspeccionar. Para no dañar el cristal piezoeléctrico por el roce contra la pieza se utilizan zapatas o suelas protectoras y acoplante para transmitir el sonido. No recomendados cuando se requieren altas frecuencias inspección en busca de gran sensibilidad (cristales muy frágiles).
de 10
Tipos de palpadores de contacto:
Palpador monocristal: es aquel que contiene solo un transductor o cristal piezoeléctrico el cual generalmente actúa como emisor por intervalos de tiempo y como receptor por otros intervalos de tiempo, por lo que son también llamados tipo “pulso-eco”. Palpador dual: es aquel que contiene dos transductores en la misma carcaza, donde uno de ellos es siempre emisor y el otro siempre receptor, por lo que son llamados también tipo “emisor-receptor”. Muy útiles para: • • • •
Piezas rugosas, donde la zona muerta tiende a incrementarse Piezas de forma irregular Piezas con superficie de fondo no paralela a la de entrada del haz (más focalizado) Piezas de bajo espesor (pulso inicial fuera de la pantalla)
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Tipos de palpadores de contacto:
Palpadores de haz normal: son aquellos que transmiten la onda a 90 grados con respecto a la superficie de contacto. Pueden ser monocristal o dual. Palpadores de haz angular: son aquellos que transmiten la onda con un ángulo diferente a 90 grados con respecto a la superficie de contacto. Pueden ser monocristal o dual. Las cuñas se diseñan para evitar reflexiones internas y más usualmente para producir en el material a ser inspeccionado, ondas transversales puras.
12
Palpadores de Inmersión:
El palpador normal y la pieza están separados por líquido que actúa como medio transmisor de la onda ultrasónica. Este tipo de acople entre la pieza y palpador anula el desgaste por roce, por lo que no requieren de zapatas o suelas protectoras. Permite utilizar sensibilidad).
frecuencias
más
altas
de
inspección
(más
13
Frecuencia Característica Fundamental del Oscilador.
Es la frecuencia a la cual oscilará un cristal piezoeléctrico al aplicarle un voltaje. Depende del tipo de cristal del elemento piezoeléctrico y de su espesor, tal y como se indica en la fórmula anexa: fc = V / 2t V: velocidad acústica
t: espesor del cristal
Para producir altas frecuencias se requieren cristales de muy bajo espesor (muy frágiles). Por eso las frecuencias muy altas se reservan para el uso bajo inmersión.
14
Geometría del haz ultrasónico:
El haz ultrasónico posee tres zonas bien definidas: • Zona Muerta. • Campo Cercano (Fresnel). • Campo Lejano (Fraunhofer).
15
Zona Muerta
Región más próxima al palpador Se debe a las interferencias producidas por las vibraciones del cristal. Su tamaño depende del tipo de cristal (tiempo de vibración). Es una característica intrínseca del material con que esta construido el transductor. En esta zona no se detectan discontinuidades durante el ensayo por ultrasonido.
16
Zona Muerta / Campo cercano
17
Campo cercano (Fresnel) y lejano (Fraunhofer)
D
La mayor energía sónica se concentra en el eje Z. En el campo cercano se producen patrones de interferencia con fluctuaciones de presión. La inspección en esa zona no es confiable. Haz ancho mejor para barrido de detección pero presenta más ruido Campo lejano (entre 1N y 3N) es la zona ideal para ejecutar las inspecciones 18
Comparación geométrica entre palpadores rectos
19
Ejercicio 3
D
Calcule el tamaño del campo cercano y el ángulo de dispersión en el campo lejano para un palpador circular longitudinal de 10 MHz, de 0.35” de diámetro, sumergido en agua Cual sería el rango óptimo de distancias de inspección para esta condición
20
Parámetros para la selección de palpadores: La frecuencia del palpador puede estimarse en función del “tamaño de discontinuidad mínima que deseo detectar”: Lmin = λ / 2 Por lo general para aceros de grano fino se trabaja con 2 a 5 MHz. Para materiales con tamaño de grano grueso se recomiendan frecuencias bajas, entre 0.5 y 2 MHz. A menor frecuencia se obtiene mayor penetración pero menor sensibilidad. A mayor frecuencia menor penetración, así como mayor sensibilidad y resolución. Mayor diámetro del cristal, menor divergencia y mayor penetración. Mayor diámetro, mayor campo cercano.
21
Ejercicio 4
Las frecuencias de palpadores más comerciales son: 0.5, 2, 2.25, 4, 5, 8, 10, 15 MHz. Cual será la mínima frecuencia del palpador que debo usar en acero al carbono de grano fino, para detectar discontinuidades de al menos 0.5 mm. de tamaño.
22
Otras formas de generar ondas de ultrasonido (nivel II)
No requiere contacto con el material a ensayar. Pulsos Laser no necesitan acoplante Menor dependencia de la geometría de la pieza Excelente para casos a muy alta temperatura 23
Otras formas de generar ondas de ultrasonido (nivel II)
Laminas de material magneto-estrictivos (ejm. Niquel) envueltos por una bobina. Al circular corriente por la bobina, laminas cambian de forma Cambios en la corriente produce emisión de ondas Frecuencias menores a 200 KHz. 24
Uso del acoplante
El acoplante es una sustancia generalmente líquida y viscosa, que se emplea entre el palpador y la pieza a ensayar, típicamente alguna de las siguientes: • Vaselina • Aceite • Grasa • Metil-Celulosa • Glicerina • Especiales para altas temperaturas • Para inmersión: Agua o kerosene 25
Funciones del acoplante
Sus funciones principales son: • Desplazar el aire • Lubricar para un mejor barrido (scanning) Para su selección debe tomarse en cuenta lo siguiente: • Compatibilidad química con el material • Corrosividad • Resistencia a la temperatura • Condición superficial e inclinación de la superficie
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REFLEXIÓN Y TRANSMISIÓN DE ONDAS EN INTERFASES PERPENDICULARES
1
Comportamiento de las ondas incidiendo perpendicularmente en una interfase:
Las ondas longitudinales se transmiten como longitudinales y las transversales se transmiten como transversales, cuando la incidencia sobre la interfase se produce a 90 grados. 2
Impedancia acústica:
Está relacionada con el inverso de la resistencia que ofrece un material al paso de una onda ultrasónica a través de su estructura. Se calcula como: Z=ρV Donde: Z: impedancia acústica. ρ: densidad del material. V: velocidad acústica de la onda.
3
Cambios en la energía de las ondas incidiendo perpendicularmente en una interfase: interfase Onda incidente (E0) Onda reflejada (E1)
Onda transmitida Energía E2 Z2
Z1
La proporción de energía reflejada versus la incidente en una interfase puede ser calculada mediante la ecuación: E1/E0 = r12
r12= (Z2 - Z1)2 / (Z2 + Z1)2
La proporción de energía transmitida versus la incidente puede ser calculada mediante la ecuación: E2/E0 = t12
t12 = T12 X T21 = 4Z1Z2 / (Z2 + Z1)2
t12 + r12 = 1
Frecuencia/tipo de onda no cambian a consecuencia de la interfase. 4
Ejercicio 5
Calcule la proporción de energía transmitida y reflejada en una interfase acero - aire. Calcule la proporción de energía transmitida y reflejada en una interfase agua - acero.
5
Reflexión en discontinuidad
6
Reflexión en discontinuidad
7
Ejercicio 6 Estime la energía de la onda que regresará al palpador, con respecto a la onda que del mismo sale (E3/E0), luego de atravesar 2 láminas de acero de 2 cm de espesor que se encuentran unidas por una capa de adhesivo de 0.5mm de espesor, cuya densidad es 1.2 gramos/cm3 y cuya velocidad de propagación del sonido es de 2.5 X 105 cm/s. Calcule además el tiempo total de recorrido de la onda dentro del material E0 E1 E2 E3
E4
E5
E6
8
REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE ONDAS CON INCIDENCIA ANGULAR SOBRE UNA INTERFASE
9
Reflexión αi
αr medio 1
αi = αr
medio 2
La incidencia de una onda sobre una interfase, con un ángulo diferente de 0 grados, produce una reflexión exactamente con el mismo ángulo de incidencia.
10
Refracción αi medio 1
αr
medio 2
La incidencia de una onda sobre una interfase, con un ángulo diferente de 0 grados, produce una onda refractada en el segundo medio, con un ángulo diferente al ángulo de incidencia, el cual puede calcularse mediante la Ley de Snell. 11
Conversión de modo αi medio 1
medio 2
αt
αl
La incidencia de una onda sobre una interfase, con un ángulo diferente de 0 grados, produce conversión de modo (cambio de naturaleza de la onda en el segundo medio) lo que implica un desdoblamiento en dos ondas distintas (una longitudinal y otra transversal), con ángulos diferentes al de incidencia, calculables mediante la ley de Snell. 12
Ley de Snell Establece relaciones matemáticas que relacionan los ángulos de la onda de incidencia con los de las ondas reflejada y refractadas, en función de las velocidades acústicas en cada medio involucrado.
αi
sen αi = sen αr = sen βl2 = sen βt2
αr medio 1
medio 2
βt2
V1
V1
Vl2
Vt2
βl2
13
Angulos críticos: En la medida en que se incrementa el ángulo de incidencia αi , también aumentan los ángulos de refracción. Cuando este último alcanza 90 grados, dicha onda refractada deja de recorrer el segundo medio. Primer ángulo crítico: Es el ángulo de incidencia para el cual la onda longitudinal refractada forma un ángulo de refracción de 90 grados. Segundo ángulo crítico: Es el ángulo de incidencia para el cual la onda transversal refractada forma un ángulo de refracción de 90 grados. Usualmente las inspecciones con haz angular se realizan con ángulos refractados entre el primer y segundo ángulo crítico, para asegurar que solo un tipo de onda recorra el material inspeccionado. El ángulo indicado en los palpadores angulares típicamente se corresponde con el ángulo refractado que producirá el palpador cuando se inspecciona una pieza de acero.
14
Detección de discontinuidades
15
Ejercicio 7
Se ensaya una pieza de acero sumergida en agua, mediante la técnica de inmersión. En que rango de ángulos de incidencia debo colocar el palpador para garantizar una buena inspección en el acero con ondas transversales.
Palpador Agua
Acero
16
Ejercicio 8
Determine el ángulo de incidencia de un palpador que marca 45 grados para acero. Cual será el ángulo de inspección (refractado) si utilizo el palpador anterior en aluminio.
17
Ejercicio 9
¿Para realizar una inspección con haz angular a 60 grados en cobre, que ángulo de palpador para acero escogería usted?. La velocidad transversal en el cobre es de 2.26 Km/s
18
FACTORES QUE AFECTAN LOS RESULTADOS
1
Factores que afectan el acoplamiento / transmisión
Condición
superficial de la pieza: • Salpicaduras = mal contacto del palpador • Cascarillas mal adheridas = dificultan paso del haz • Rugosidad = aumenta zona muerta, genera ondas parásitas, reflexión en lóbulos laterales. Crítico cuando la rugosidad se acerca a la mitad de la longitud de onda. Preferible usar bajas frecuencias
2
Factores que afectan el acoplamiento / transmisión
Curvatura: • Dificulta el adecuado acoplamiento • Disminuye la sensibilidad • En convexas equivale a reducir tamaño del palpador • En cóncavas es más crítico • Preferible usar palpadores duales.
3
Reflexión desde superficie libre
Durante la reflexión se puede producir conversión de modo.
4
Técnica de haz angular
Señales dispersas. Centrar la inspección en el área entre el pulso inicial y el eco de fondo
5
Orientación de las discontinuidades
Señales produciendo un rebote angular con respecto al haz incidente pudieran no ser detectadas.
6
Influencia de la forma y contorno de la pieza
7
Influencia de la forma y contorno de la pieza
8
SISTEMAS Y TIPOS DE EQUIPOS
9
Métodos Pulso-eco vs. Transmisión-recepción
10
Sistema de Transmisión
Se basa en la cantidad de energía sónica recibida por el palpador receptor, la cual es función del “efecto sombra” que generen las discontinuidades que se encuentren en medio del recorrido sónico. Se utilizan dos palpadores, uno emisor y uno receptor, los cuales tienen igual ángulo de incidencia y frecuencia de trabajo, colocados y alineados dentro del recorrido sónico del haz. La emisión ultrasónica puede ser por pulsos o continua.
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Equipos emisor - receptor
La magnitud de la discontinuidad se determina mediante el decaimiento de la señal producida por su presencia. 12
Emisor – receptor angular
13
Equipo emisor – receptor solo para determinación de velocidades del sonido
Este equipo es diferente al mostrado en la lámina anterior y solo mide la velocidad del sonido, la cual se correlaciona con la resistencia mecánica del concreto 14
Equipos emisor - receptor
15
Sistema de Pulso - Eco.
El haz ultrasónico es generado por pulsos o intervalos de corta duración (50 a 2500 Hz). Los palpadores pueden ser monocristal o dual. Se basa en la medición de la intensidad de las ondas acústicas reflejadas de vuelta al palpador. Existen dos tipos de equipos que trabajan bajo este principio: Medidores de Espesor y Detectores de Fallas.
16
Sistemas Pulso - Eco. Medidores de Espesores
Los medidores de espesor son equipos pequeños que presentan la lectura en forma digital, basada en el tiempo de vuelo de la onda requerido para recorrer el espesor de material. Generalmente operan con un nivel de ganancia constante. Existen medidores de espesor con pantallas de representación A-Scan para verificación de las lecturas recibidas, sin embargo, estos equipos por su lentitud en la actualización de pantalla A-Scan no son recomendados para la detección y dimensionamiento de discontinuidades.
17
Medidor digital de espesores
18
Medidor digital de espesores
19
Precauciones
Cuando se realizan lecturas de espesor a través de revestimientos se pueden generar errores muy significativos. Por ello siempre se recomienda su remoción. Para mediciones de espesores a alta temperatura se deben utilizar palpadores especiales con cristales y zapatas que tengan una baja variación de la velocidad acústica, además se debe operar rápido y enfriar los palpadores. Para realizar las mediciones en alta temperatura se deben calibrar los equipos con patrones a esa temperatura o utilizar tablas de corrección, generalmente empíricas y diseñadas por el usuario. En el caso de temperaturas bajas el procedimiento es el mismo ya que la velocidad acústica aumenta al bajar la temperatura del material inspeccionado. 20
Palpadores para medición de espesores
21
Detector de falla pulso-eco de Scan tipo A
A-Scan:
Muestra picos de amplitud basados en la intensidad acústica de la señal de rebote recibida. 22
Scan tipo B
B-Scan: Traza un corte transversal de la pieza basado en el tiempo
de vuelo requerido por la onda para viajar entre la superficie de inspección y la superficie límite interna. Representa una vista en corte transversal. 23
Scan A vs. B y C
Equivale a vista en corte transversal
Scan C equivale a vista en planta (desde arriba) puede mostrarse por contraste de colores 24
TÉCNICAS DE ENSAYO
1
Técnica por contacto directo
2
Contacto directo
Requiere uso de acoplante Puede cubrir piezas grandes Muy portátil y mayormente para uso manual Poca sensibilidad para discontinuidades próximas a la superficie Aprox. 10 veces más económico que la técnica de inmersión.
3
Técnica por inmersión:
4
Diferentes técnicas por inmersión:
5
Diferentes técnicas por inmersión:
6
Técnica por Inmersión
No requiere uso de acoplante No es práctico para piezas grandes Ideal para uso automático o semi-automático. Buena sensibilidad para discontinuidades próximas a superficie. Zona muerta queda en el agua y no en la pieza.
la
Costoso Permite trabajar a mayores frecuencias Técnica de inmersión completa, columna de agua, palpador de rueda
7
Palpadores para inmersión
8
Técnica de haz angular
Generalmente utilizada para la evaluación de cordones de soldadura Si la orientación de las discontinuidades o pared de fondo no es perpendicular al recorrido sónico difícilmente se obtendrá reflexión de la onda hacia el palpador. Aplican relaciones trigonométricas para estimar las ubicaciones y dimensiones de las discontinuidades encontradas. 9
Ubicación de una discontinuidad La profundidad de una discontinuidad, medida desde la superficie donde se encuentra el palpador, se calcula como sigue: P = R X Cos β R = recorrido sónico del haz (visto en pantalla del equipo) La proyección de una discontinuidad (medida desde el punto de salida del haz desde el palpador), se calcula como sigue: Y = R X Sen β
P
t
R
β Y
10
Técnica de haz angular
Medio Salto: Es la mínima distancia a la cual debe colocarse el palpador angular del centro del cordón de soldadura para iniciar un barrido, estimando que el haz se enfoque hacia la raíz.
S/2 11
Técnica de haz angular
Salto: Es el doble del valor del medio salto. Es la máxima distancia a la cual debe colocarse el palpador angular del centro del cordón de soldadura para iniciar un barrido. Se corresponde al punto donde el rebote del haz alcanza el tope de la soldadura (sin incluir refuerzo). El salto se calcula como: S = 2 t Tan β
t β S 12
Técnica de haz angular
Caso palpador normal (soldadura lisa y sin refuerzo)
Barrido debe hacerse a ambos lados de la soldadura para cubrir la totalidad de la misma 13
Inspección de soldaduras con haz angular
14
Profundidad de una discontinuidad Para recorridos sónicos mayores al medio salto, la profundidad de una discontinuidad, desde la superficie donde se encuentra el palpador, se calcula como sigue: P = 2 t – R X Cos β R = A + B = recorrido del haz (visto en pantalla del equipo)
P
β
t
A B
15
Angulos típicamente recomendados
16
Ejercicio 10
Calcular la distancia de salto y medio-salto para un palpador angular de 60 grados, cuando se inspecciona la soldadura de una plancha de acero de 30 mm de espesor. Que rango de pantalla tendría que utilizar para cubrir 2 saltos. Si detecto una discontinuidad que aparece en pantalla a un recorrido sónico de 80 mm, ¿a cual profundidad de la superficie de inspección se encuentra la misma? ¿Podría utilizar el palpador para inspeccionar un cordón de soldadura de 10 mm de espesor y con un ancho de 40 mm?. ¿Por qué? Si la respuesta anterior es negativa, ¿Que recomendaría hacer en este caso?.
17
Inspección tubulares
18
Inspección tubulares
19
PROCESOS DE MANUFACTURA Y RESULTADOS DE INSPECCIÓN.
1
Clasificación de procesos
2
Clasificación de discontinuidades
3
Discontinuidades en soldaduras
Falta de Fusión
Falta de Penetración 4
Discontinuidades en soldaduras
Grieta
Concavidad Interna
5
Discontinuidades en soldaduras
Exceso de Penetración
Desalineación (HI-LO) 6
Discontinuidades en soldaduras
Porosidades
Inclusiones no Metálicas
7
Discontinuidades por procesos de soldadura
8
Discontinuidades en fundición
Inclusiones: Arena, escoria, óxidos, impurezas. Porosidades: Gases Rechupes: Alimentación inadecuada al final de la solidificación. Pliegues: Dos corrientes de metal convergente / apariencia de grieta Agrietamiento en caliente: Esfuerzos durante solidificación + segregaciones Grietas en frío: choques térmicos o esfuerzos exagerados. Desalineación: mal ensamblaje de los moldes Llenado incompleto: mal diseño del sistema de llenado.
9
Discontinuidades en Forja, laminación, extrusión
Inclusiones: Provenientes de fundiciones Grietas o fracturas: deformación.
Baja temperatura de conformado, excesiva
Pliegues: Materiales fríos aplastados entre si durante el laminado, sin fusión. Laminaciones: superficie.
estiramiento de inclusiones en dirección paralela a la
10
Evaluación de resultados
Se requiere conocer: Tipo de material ensayado. Técnica utilizada Normas aplicables Características geométricas
11
Normas de fabricación
ASME sección VIII, recipientes a presión. ASME sección I, calderas ASME sección V, ensayos no destructivos. ASTM E94, práctica para ensayos radiográficos. ASTM E142 control de calidad de ensayos radiográficos API 1104, soldadura de tuberías de línea. AWS D1.1, soldadura de acero estructural ASME B31.3, soldadura de tuberías para procesos
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Reportes de Inspección
Funciones: Facilitar toma de decisiones. Agilizar las reparaciones. Permitir la re-verificación con repetitividad de resultados. Brindar la confianza necesaria para la toma de decisiones acertadas
13
ANÁLISIS DE INDICACIONES
1
Clasificación de las indicaciones
Falsas: (debidas a mal procedimiento). No relevantes: (por geometría de la pieza o muy pequeñas). Relevantes: (por discontinuidades). Ameritan evaluación.
2
Causas de indicaciones falsas:
Interferencia eléctrica. Rugosidad superficial. Exceso de acoplante. Conversión de ondas. Estructura del material. Zapata del palpador, etc.
3
Principales parámetros a analizar de una indicación
Distancia al origen de la pantalla (recorrido sónico). Altura del pico (magnitud). Forma del pico (morfología). Cambio que experimenta al mover el palpador (orientación). Variación con la frecuencia de ensayo. Proceso de fabricación historial de la pieza
e
4
Tips para el Análisis de las indicaciones
Como primera referencia un reflector debe ser comparado contra otro de tamaño conocido, a la misma profundidad. Un reflector puede ser mayor o menor que el haz ultrasónico, pudiendo variarse el diámetro, ángulo y frecuencia del palpador para determinar las características del mismo. Otro punto de referencia puede obtenerse de la disminución del eco de fondo cuando se trabaja con palpadores de haz normal. Es importante la orientación de la discontinuidad para tratar de obtener la mayor reflexión contra el palpador.
5
Tamaño
Reflectores mayores al haz: Para determinar tamaños de discontinuidades mayores que el haz ultrasónico, se hace un barrido superficial (exploración dinámica). Cuando el palpador está al borde de la discontinuidad el eco de fondo es la mitad de la altura original, igualmente ocurre con el eco de reflector. Reflectores menores que el haz: Para discontinuidades menores que el haz sónico (exploración estática) el tamaño del reflector puede compararse contra otros conocidos naturales o artificiales. En la práctica se usan reflectores de fondo plano sin embargo, el defecto natural siempre tendrá menos amplitud que el artificial ya que la rugosidad del mismo provoca dispersión del haz.
6
Dimensionamiento de la discontinuidad con haz recto
Se puede delinear el borde de la discontinuidad considerando el camino sónico donde la amplitud decae 6 db.
7
Dimensionamiento de la discontinuidad con haz angular
Conociendo el ángulo del haz y midiendo el recorrido sónico para la posición del palpador cuando la amplitud decae al 10% (-20db), puede tenerse una buena idea del tamaño y orientación de la discontinuidad 8
Tips para el Análisis de las indicaciones
Tener en cuenta el tamaño mínimo detectable en función de la frecuencia de inspección, así como el efecto de la rugosidad superficial. Recordar que con alta frecuencia se obtiene alta sensibilidad pero baja penetración. En general es difícil detectar pequeñas discontinuidades a distancias superiores a 3N (tres veces el campo cercano). La señal de reflectores pequeños tiende a confundirse con el ruido cuando están profundas.
9
Caracterización de discontinuidades
Morfología (plana, esférica o cilíndrica). Orientación (con respecto al haz). Posición (profundidad o distancia sónica). Tamaño. Naturaleza (grieta, escoria, poro, cavidad, etc.).
10
Morfología
Generalmente la morfología es la responsable de la forma del pico en la presentación A-SCAN. Una indicación en pantalla puede convertirse en varias juntas al variar la frecuencia de ensayo sí la misma proviene de un agrupamiento de reflectores.
11
Señales perpendiculares típicas
12
Señales perpendiculares típicas
13
Señales angulares típicas
14
Señales angulares típicas
15
Orientación y posición
Para la caracterización de discontinuidades se recomiendan los palpadores angulares por su versatilidad de uso. Varios ángulos de incidencia son requeridos para verificar la orientación de una discontinuidad. Se recomienda realizar croquis para estudiar el recorrido del haz dentro de la pieza. De esta manera, es más fácil determinar la ubicación de la discontinuidad a pesar de las posibles reflexiones múltiples del haz ultrasónico contra la geometría interna. Tener en cuenta posibles reflexiones en esquinas o cambios de sección.
16
Reflexión en esquinas
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Guía para la interpretación
Determinar la con respecto al palpador.
posición
del
reflector
Verificar su tamaño con respecto al haz ultrasónico. Utilizar diversos ángulos de incidencia. Si la amplitud de la indicación no varía con diversos ángulos de incidencia, el reflector es muy pequeño o esférico. En caso contrario debería ser plano. Si la altura de la indicación aumenta al aumentar la frecuencia la indicación es muy pequeña. Si la altura de la indicación aumenta al bajar la frecuencia la discontinuidad es rugosa.
18
Guía para la interpretación Falta de fusión: Este defecto se verá más de un lado del cordón que del opuesto. Grieta central: Este defecto se verá con igual intensidad de ambos lados del cordón. Escoria: Generalmente este defecto tiene una superficie muy irregular, por lo que la imagen en pantalla será más ancha que una grieta o falta de fusión Poros: Son señales estrechas y agudas, pudiendo presentarse en grupos. Socavaciones: Da señales de igual intensidad a ambos lados del cordón. Hi-Low: Da señal aguda en la raíz pero sólo de un lado del cordón. No se debe confundir con grietas en la raíz. Fusión incompleta y grietas en la raíz: Son señales iguales, estrechas y altas, sirve ubicar el defecto por geometría 19
CALIBRACIONES
1
Verificación del equipo:
Para asegurar que las condiciones operativas del equipo sean confiables, se verifica: • Linealidad horizontal. • Linealidad de ganancia.
2
Bloque de calibración con Haz recto
3
Bloque de calibración con Haz recto
4
Bloque de calibración con Haz angular
5
Aplicaciones del Bloque V-1.
Con los palpadores normales: Calibración en distancia. Resolución. Sensibilidad.
Con los palpadores angulares: Punto de salida del haz. Angulo real del palpador. Calibración en distancia. Sensibilidad.
6
Dimensiones bloque V1
7
Bloque V1 de calibración con Haz angular
8
Bloque V1 de calibración con Haz angular
9
Resolución de palpadores rectos
10
Bloque V2 de calibración con Haz angular
11
Aplicaciones del Bloque V-2.
A pesar de ser similar al V-1, no es aceptado como sustituto por los códigos y normas internacionales. Con los palpadores normales: Calibración en distancia. Sensibilidad. Con los palpadores angulares: Punto de salida del haz. Angulo real del palpador. Calibración en distancia. Sensibilidad. 12
Bloque V2 de calibración con haz recto y angular
13
Bloque V2 de calibración con Haz angular
14
Otro bloque para Calibración de la base de tiempo
15
Elaboración de la curva de corrección de amplitud por distancia DAC ó CAD con bloques de calibración especiales, según la norma aplicable.
16
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