TÉCNICAS AVANZADAS DE END EMISIÓN ACÚSTICA
ÍNDICE
SONOMETRÍA (Emisión Acústica)
• Descripción y fundamentos físicos • Aplicaciones • Proceso de actuación • Equipo de inspección • Comparación con otras técnicas de END
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) DESCRIPCIÓN Y FUNDAMENTOS FÍSICOS
El ensayo de Emisión Acústica (EA) es un Ensayo No Destructivo
Se basa en las ondas sónicas o ultrasónicas que genera un material sólido al deformarse o fracturarse por estar sometido a tensiones mecánicas o térmicas
Una deformación plástica en un material sólido produce una onda que se expande hasta la superficie exterior. Si en esa superficie colocamos un transductor adecuado, mediante efecto piezoeléctrico (similar a la técnica de inspección clásica por ultrasonidos) esas ondas mecánicas se traducen en impulsos eléctricos
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) DESCRIPCIÓN Y FUNDAMENTOS FÍSICOS
El origen del ensayo de EA data del 6.500 AC, cuando los fabricantes de cerámica escuchaban los estallidos de las piezas de arcilla que enfriaban demasiado deprisa. Por experiencia, aprendieron que esos estallidos estaban relacionados con agrietamientos de las piezas y éstas iban a fallar prematuramente
Pese a este uso ya ancestral, el uso de la moderna EA se debe Josef Kaiser, quien en 1950 hizo dos importantes descubrimientos:
Los materiales emiten impulsos de energía elástica cuando están sometidos a tensiones
Una vez que un material ha sido sometido a una carga, y el sonido de la EA ha cesado, no se volverá a producir ninguna EA hasta que se aplique una carga que exceda a la anterior, incluso aunque la carga inicial cese y sea aplicada posteriormente. Es el llamado Efecto Kaiser
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) DESCRIPCIÓN Y FUNDAMENTOS FÍSICOS Gráfica representativa de la respuesta de EA frente a la carga aplicada al material objeto de ensayo. El tramo BCB representa el Efecto Kaiser El tramo DEF representa el Efecto Felicity, donde debido a las elevadas tensiones acumuladas por el material y su proximidad a la zona de rotura, defectos importantes comienzan a emitir antes de llegar a la carga máxima anterior. Se puede cuantificar por la Relación Felicity (FR, Felicity Ratio) De acuerdo con ASME, son rechazables equipos de fibra de vidrio con FR < 0.95 carga a la que la EA comienza de nuevo
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES
La EA es un fenómeno natural que tiene lugar en un amplio rango de materiales, estructuras y procesos.
Se puede aplicar desde eventos a gran escala, como las Emisiones Sísmicas a emisiones microscópicas, como son las dislocaciones microestructurales de los materiales metálicos sometidos a tensión.
La EA nos proporciona una gran información del comportamiento de materiales en situaciones de tensión y por tanto de su resistencia al daño o al fallo.
Los agrietamientos de elementos como alas de aviones, tuberías, tanques de almacenamiento, recipientes a presión producen EA
También son fuente de EA las fugas de vapor en válvulas, fallos en cojinetes, defectos en procesos de soldadura
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES
Estudio de Materiales
La EA nos da información del comportamiento de los materiales bajo las cargas tensionales que soporta.
Los mecanismos que producen EA son aquellos que dan lugar a deformaciones permanentes (plásticas, no elásticas), como son las dislocaciones, formación y crecimiento de grietas, corrosión,…).
La cantidad de energía de EA generada en el material dependerá del tamaño y velocidad de propagación del proceso de deformación
Este tipo de estudios están más orientados a fases de diseño y de laboratorio que a inspección en servicio
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES Inspección en Servicio – detección de agrietamientos
Es la aplicación más interesante de la EA como END, muy útil en la inspección de tuberías, recipientes a presión, tanques de almacenamiento
Objetivo del ensayo: Detectar defectos (grietas) y asegurar la integridad estructural del equipo
La EA ejerce el papel de monitorización de la condición de equipos estáticos, de la misma manera que el ensayo de vibraciones lo hace para los rotativos.
Debemos diferenciar entre la EA de la zona plástica alrededor de la punta de la grieta y la EA del movimiento de avance de la grieta en sí mismo. Estos últimos dependen mucho del tipo de mecanismo:
Mecanismos “rápidos” como son las fracturas frágiles, se detectan inmediatamente
Otros como la coalescencia de microvacíos son “silenciosos”. Se detectan porque
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES Inspección en Servicio – detección de agrietamientos
En la década de los 70, se produjeron numerosos daños en la industria petroquímica en tanques y recipientes a presión de fibra de vidrio
Las causas principales eran:
Inadecuado diseño y fabricación
Manejo incorrecto durante el transporte
Mal uso del material (no era familiar la fibra de vidrio)
No existía un método adecuado de inspección
El desarrollo por Monsanto de un método de inspección por EA dio como resultado la reducción drástica de la problemática. El procedimiento de ensayo desarrollado por el CARP (Comité de Emisión Acústica para Plásticos Reforzados) dio origen a la inclusión del ensayo de EA en ASME en 1983
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES
Inspección de capas no metálicas
Es la otra aplicación de la EA como END
Se utiliza para la detección de fenómenos de:
Oxidación de Alta Temperatura
Procesos de Corrosión a Temperatura ambiente
Para optimizar procesos de fabricación de recubrimientos cerámicos en compuestos de alta temperatura
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) APLICACIONES Control de calidad de producción
Monitorización en procesos de soldadura (entre otros GTAW o SMAW) durante procesos de ejecución. Los procesos más sencillos de monitorizar son aquellos libres de escorias La EA durante los procesos de solidificación y enfriamiento está relacionada con el tamaño de las deposiciones de material de aporte, lo cual se puede relacionar con ciertas propiedades de la soldadura.
Monitorización en procesos de enderezado de ejes forjados. Donde las fuerzas de curvado que se aplican para corregir defectos, pueden provocar microagrietamientos de los ejes en la superficie endurecida del mismo. Mediante EA, se pueden detectar esos microagrietamientos y alertar al personal que realiza los trabajos.
En estos casos, las tensiones que producen la EA son inherentes al trabajo
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) PROCESO DE ACTUACIÓN
Para poder llevar a cabo el ensayo de EA, es necesario que el material esté sometido a tensión (mecánica o térmica).
En caso de que no esté sometido a ella debido al proceso en sí, habrá que aplicársela, de forma que estimule la EA de todos aquellos defectos que puedan ser significativos
Los pasos del proceso son los siguientes:
Aplicación de la carga al objeto a ensayar para producir tensiones mecánicas
Los mecanismos de defecto generan energía elástica
Propagación de las ondas a través de la pieza hacia el exterior
Sensores adecuados convierten la energía mecánica en señales eléctricas por efecto piezoeléctrico
Adquisición de datos para estudio y Representación en una pantalla Evaluación e interpretación de las señales
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) EQUIPOS DE INSPECCIÓN Los elementos que intervienen en la inspección de EA son los siguientes.
Acoplante
Como en el ensayo de ultrasonidos, son un elemento clave para garantizar una adecuada sensibilidad del ensayo. Han de proporcionar un adecuado contacto entre el sensor (palpador) y la superficie a ensayar Debe ser el adecuado para la temperatura de ensayo y no corroer el material. La capa de acoplante ha de ser lo más delgada posible Los más usados son aceites o grasas
Sensor o palpador
Sensores piezoeléctricos que convierten la energía mecánica en señales eléctricas
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) EQUIPOS DE INSPECCIÓN Equipo de EA Compuesto por:
un preamplificador que amplifica la señal generada por los sensores
Un filtro de frecuencias
Un almacenador de datos
Un convertidor de ondas
Un procesador de señal
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) EQUIPOS DE INSPECCIÓN
Equipo de emisión acústica
Esquema del proceso de inspección y señal típica de EA
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) COMPARACIÓN CON OTRAS TÉCNICAS DE END Emisión Acústica
Otras técnicas de END
Detecta movimiento de defectos
Detectan la forma geométrica del defecto
Requiere tensión en el material
No requiere tensión durante el ensayo
Cada carga es única
Repetibilidad del ensayo
Más sensible al material
Menos sensible al material
Menos sensible a la geometría de la pieza
Sensible a la geometría de la pieza
Menos intrusivo en la operación de la planta Necesita sólo acceso a los palpadores
Precisan de equipos fuera de servicio
Examina toda la pieza a la vez
Examen por partes
Necesita acceso a toda la pieza
EMISIÓN ACÚSTICA (EA) COMPARACIÓN CON OTRAS TÉCNICAS DE END LA PROBLEMÁTICA DEL RUIDO
La mayor limitación del ensayo de EA es el ruido producido por los procesos de las instalaciones (flujos de fluido, movimientos de estructuras, etc).
Para reducirlo lo ideal es eliminar esas fuentes de ruido, en caso de no ser viable u operativo, debemos ajustar las condiciones del ensayo o tratar de filtrar el ruido mediante hardware y software adecuado en nuestro equipo.
Es básico seleccionar un rango de frecuencia apropiado para el ensayo. A bajas frecuencias, se incrementa el ruido de fondo. El rango de 100-300 kHz es válido para el 90% de los ensayos de EA
En plantas con alto nivel de ruido ambiental como las CCTT, es necesario realizar los ensayos de EA a frecuencias superiores (500 kHz) para reducir el ruido de fondo que causa el flujo de agua/vapor. El problema de trabajar a altas frecuencias es que se reduce el rango de detección.
