“AÑO DE LA DIVERSIFICACIÓN DIVERSIFICACIÓN PRODUCTIVA Y DEL FORTALECIMIENTO DE LA EDUCACIÓN”
PROFESOR:
ASIGNATURA:
Ing. Nelver J. Escalante Espinoza
CALCULO DE ELEMENTOS DE MAQUINAS I
CICLO:
VII
ALUMNOS:
Castañeda Lllanos Jose
Chavez Huingo Mariano
Quincho Cabrera Wilmer
Seminario Salazar Cesar
NVO. CHIMBOTE – PERÚ 2015
INTRODUCCIÓN
La soldadura, sigue siendo uno de los procesos tecnológicos de mayor aplicación en la unión de una gran cantidad de acero de refuerzo estructural en la construcción de elementos, tales como: trabes o columnas de concreto u hormigón. Los Ensayos No Destructivos son herramientas de control de calidad o proceso que permite diagnosticar preventivamente las condiciones de un equipamiento, deterioro de un componente o su mal funcionamiento, análisis de piezas recién fabricadas o reparadas. El ensayo por líquidos penetrantes es un ensayo no destructivo que se emplea para detectar e indicar discontinuidades abiertas a la superficie en materiales sólidos no porosos. El principio en el cual se basa esta técnica no destructiva es la capacidad de que un líquido pueda penetrar por capilaridad y ser retenido en las discontinuidades abiertas a la superficie como pueden ser fisuras y poros. La penetración por capilaridad es la propiedad que tiene algunos fluidos y que modifica los efectos de algunos principios fundamentales de la física, como pueden ser la ley de la gravedad y los vasos comunicantes. Ello se debe a la propiedad denominada tensión superficial, la cual origina una cohesión entre las moléculas superficiales de los líquidos, capaz de resistir una determinada tensión. En esta práctica vamos a realizar este ensayo no destructivo – – líquidos penetrantes para poder visualizar con mayor claridad los defectos presentes en el cordón de soldadura; y de esta manera tener un conocimiento de cómo se realiza este tipo de ensayo y cuáles son sus ventajas en la industria.
PRACTICA N° 01: “ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS – LIQUIDOS PENETRANTES”
I.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Establecer las condiciones necesarias para la realización del Ensayo de líquidos penetrantes, para detección y evaluación de discontinuidades abiertas a la superficie, en superficies no porosas, según los requerimientos del ASME BPV SECTION VIII División 1.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
II.
Mediante una probeta, analizar visualmente las principales características de la probeta y los defectos que tiene el cordón de soldadura.
Mediante una probeta e usando los líquidos penetrantes, analizar los principales defectos del cordón de soldadura y dar así las posibles soluciones para superar estos defectos.
MARCO TEORICO ENSAYO NO DESTRUCTIVO – LÍQUIDOS PENETRANTES. El ensayo por líquidos penetrantes es un método no destructivo que permite la detección de discontinuidades en materiales sólidos. Este método está basado en la penetración de un líquido dentro de las fisuras y esto ocurre debido al fenómeno de la capilaridad que es la propiedad de penetración de un líquido en lugares extremamente pequeños debido a sus características físico-químicas, tal como la tensión superficial de este líquido mencionado. Una vez dentro de la fisura se provoca la absorción de este líquido hacia la superficie del material a través del uso de un agente absorbente denominado revelador. En comparación con otros métodos de ensayo no destructivo (Radiografía, Ultrasonidos, etc.) la aplicación práctica del ensayo por líquidos penetrantes, en general, es menos compleja y no requiere el empleo de equipos complicados o costosos. Pero no hay que cometer el error de pensar por esto que su ejecución se pueda realizar de forma menos cuidadosa.
CARACTERÍSTICAS DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES. El penetrante ideal debe reunir lo siguiente: Habilidad para penetrar orificios y aberturas muy pequeñas y estrechas. Habilidad de permanecer en aberturas amplias. Habilidad de mantener color o la fluorescencia. Habilidad de extenderse en capas muy finas. Resistencia a la evaporación. De fácil remoción de la superficie. De difícil eliminación una vez dentro de la discontinuidad. De fácil absorción de la discontinuidad. Atoxico. Inoloro. No corrosivo. Antiinflamable. Estable bajo condiciones de almacenamiento.
PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES El principio en el cual se basa esta técnica no destructiva es en la capacidad de que el líquido pueda penetrar (por capilaridad, no por gravedad) y ser retenido en las discontinuidades como fisuras y poros abiertos a la superficie. Las principales características físicas a considerar son: -
TENSION SUPERFICIAL
La tensión superficial es la forma de cohesión de las moléculas de la superficie del líquido en función de la cual, a igualdad de volumen, asume la forma correspondiente a la mínima superficie compatible con el vínculo externo. La forma de la gota simplifica este concepto. La tensión superficial está definida como una fuerza que actúa sobre toda “saliente” en una superficie acabada.
Para demostrar su existencia se usa un marco rectangular con un lado corredizo en el cual se extiende una película de agua jabonosa, el lado corredizo está sometido a una fuerza que tiende a volverlo a su posición cuando se lo aleja. Midiendo el trabajo “dL” de superficie de la película líquida, se obtiene de la fórmula de Gauss:
Dónde:
: es la tensión superficial (N/m)
ds: es el desplazamiento de la película.
La tensión superficial, como la viscosidad, dependen de la temperatura y disminuyen con el aumento de la energía cinética de las moléculas del líquido -
MOJABILIDAD
Por mojabilidad se entiende a la propiedad de un líquido de expandirse adhiriéndose a la superficie de un sólido. Esta depende de la interacción del líquido con la fase sólida y gaseosa en la que se encuentra. La mojabilidad está estrechamente ligada a la tensión superficial, y está determinada por el ángulo “θ“ de contacto con la superficie. Hay tres condiciones intermedias con θ<90°; θ= 90°, θ>90°.
Un líquido penetrante de buena calidad debe necesariamente poseer un bajo ángulo de contacto a fin de asegurar una buena mojabilidad de la superficie de examen y una óptima penetración en las discontinuidades. Además de la figura:
Si:
: Tensión superficial del sólido en contacto con el aire : Tensión superficial de la interfase sólido-líquido ( función del líquido ,
sólido ; y estado de la superficie). : Tensión superficial de la interfase aire (o vapor) -líquido Angulo de contacto. Si el líquido moja la superficie): > Por lo tanto cosθ será mayor que cero lo que implica θ<90°. Si el líquido no moja la superficie: < Por lo tanto cosθ será menor que cero lo que implica θ>90 -
CAPILARIDAD
Se ha visto que la superficie de un líquido contenido en un recipiente presenta cierta curvatura en las fronteras del líquido y las paredes sólidas del recipiente. Sobre el resto de la superficie, conserva una forma plana. Pero si el tamaño total de la superficie es pequeño, toda la superficie del líquido “sentirá” la influencia de las paredes y este aparece curvo en toda su extensión. En este caso, cuando las dimensiones del recipiente en el que se encuentra el líquido o, en el caso más general, si la distancia entre las superficies limitantes del líquido es comparable al radio de curvatura de su superficie, a estos recipientes se los llamará “capilares”. A los fenómenos que tienen lugar dentro de estos recipientes se denominan “fenómenos de capilaridad” o simplemente “capilaridad” La capilaridad viene generalmente entendida cuando se analiza el particular fenómeno por el cual, cuando se sumerge un tubo capilar en un líquido, se obtiene una diferencia de niveles entre el líquido contenido en el tubo y aquel que permanece afuera, formando el líquido un menisco. El desnivel obtenido podrá ser positivo o negativo, según el ángulo de contacto y la mojabilidad del líquido.
Si se tiene una buena mojabilidad (θ<90°) en el interior del capilar se obtiene un aumento del nivel (desnivel positivo), en el caso contrario (θ>90°) el nivel baja En razón de la presión engendrada por la curvatura de la superficie, el líquido contenido en el tubo está sometido a una presión “p” dirigida hacia el centro de curvatura del menisco, es decir hacia arriba, e igual a: 2 γ/ r0 r0: radio del menisco γ: coeficiente de tensión superficial del líquido Son los efectos de esta presión por la cual el líquido sube por el tubo hasta una altura “h”, a la cual la presión hidrostática “ ρgh “ de la columna de líquido equilibra a la presión “p” -
VISCOSIDAD
La viscosidad de un fluido, propiedad física debida a la interacción interna de las moléculas, es la fuerza tangencial o de corte debido a esa cohesión, que hay que vencer para separar dos capas adyacentes en el líquido. El coeficiente de viscosidad “η” es la fuerza por unidad de superficie para mantener una diferencia de velocidad de 1 cm/seg. entre dos estratos paralelos y distantes 1 cm entre ellos. Se expresa en dina/ cm2seg. La inversa del coeficiente de viscosidad es llamada “fluidez” y se representa con: φ= 1/η La eficacia global del proceso puede ser considerada mayor o menor según el riesgo de pérdida de las indicaciones en la etapa de remoción del exceso según se considere prevaleciente o no sobre la velocidad de penetración en
la discontinuidad y sobre la eficiencia del revelado.
-
VOLATILIDAD
Por volatilidad se entiende la propiedad físico-química de algunos componentes, constituyentes de la mezcla líquida, de pasar al estado gaseoso (evaporarse) más o menos fácilmente de la superficie en examen. La consecuencia inmediata de la volatilidad, es la variación de la composición química (y por lo tanto de la tensión superficial, mojabilidad, viscosidad, densidad, punto de inflamabilidad, etc.) de la mezcla original. La volatilidad es función de la temperatura y la presión a la cual se encuentra la mezcla penetrante. Es evidente que para un líquido penetrante ideal, la volatilidad deberá ser la mínima posible e igual o similar para cada componente con el objeto de mantener la composición química original. Un líquido muy volátil no resulta económicamente competitivo por cuanto, si se usa en un contenedor abierto para la técnica por inmersión, tiende continuamente a evaporarse con la consiguiente pérdida de sus características. -
PUNTO DE INFLAMACIÓN
Es la temperatura mínima a la cual el líquido penetrante debe ser calentado, en condiciones normalizadas de laboratorio, para producir vapor en cantidad suficiente como para formar una mezcla inflamable. En la inspección se requieren penetrantes con alto punto de inflamabilidad que, además de poseer un bajo grado de volatilidad, aseguran ajustarse a las normas de seguridad vigentes.
Tabla de propiedades físicas de líquidos penetrantes:
CLASIFICACIÓN DE LOS LÍQUIDOS PENETRANTES La clasificación básica de los tipos de líquidos penetrantes existentes es la que los agrupa en función de la fuente de luz que se precisa para la observación de las indicaciones que proporciona el ensayo. Se clasifican en tres grupos o familias que son: 1. Líquidos penetrantes coloreados, observación con luz visible blanca. 2. Líquidos penetrantes fluorescentes, observación con luz negra (Ultravioleta). 3. Líquidos penetrantes mixtos (fluorescentes -coloreados), observación bajo los dos tipos de luz anteriores. Paralelamente, en cada familia, se pueden encontrar tres casos posibles de empleo en función dela forma de eliminar de la superficie el exceso de penetrante: a. Líquidos penetrantes lavables con agua. b. Líquidos penetrantes postemulsionables. c. Líquidos penetrantes eliminables con disolventes. Los penetrantes postemulsionables se llaman así porque necesitan la adición posterior de un emulsionante para hacerlos lavables con agua.
a. Líquidos penetrantes coloreados visibles Contienen pigmentos coloreados disueltos que los hacen visibles con luz natural (de día) o con luz artificial blanca (lámparas eléctricas). El color más utilizado es el rojo que hace claramente visibles las indicaciones sobre el fondo normalmente blanco del revelador. Aunque la sensibilidad de estos penetrantes rojos suele ser inferior a la de los fluorescentes, resultan adecuados para un gran número de aplicaciones.
b. Líquidos penetrantes fluorescentes Este tipo de líquido penetrante incorpora en su composición pigmentos fluorescentes de color generalmente amarillo verdoso, que son sensibles a una iluminación especial llamada luz negra que los hace fluorescer. En general, estos líquidos penetrantes fluorescentes tienen una mayor sensibilidad que los coloreados, es decir, son capaces de detectar
indicaciones más finas.
COMPARACIÓN DE PENETRANTES:
LAS
PROPIEDADES
DE
LOS
LÍQUIDOS
COMPARACIÓN PEETRANTES:
LAS
PROPIEDADES
DE
LOS
LÍQUIDOS
DE
REVELADORES La cantidad de penetrante que emerge de una discontinuidad superficial es muy reducida por lo que es necesario ampliar su visibilidad. Los reveladores están diseñados de tal forma que extraen el penetrante atrapado en las discontinuidades para que sean visibles al ojo humano. La acción del revelador es una combinación de tres efectos: solvencia, adsorción y absorción. Cuando el penetrante se dispersa a través del polvo revelador, puede ser fácilmente observado. En el caso de los reveladores en suspensión no acuosa, la acción solvente juega un papel importante para promover la extracción del penetrante de las discontinuidades y el mejoramiento de las indicaciones.
PROPIEDADES DE LOS REVELADORES: Para un buen funcionamiento, el revelador debe de poseer las siguientes características: Alto poder de absorción del penetrante Un tamaño de partícula adecuado, para una buena dispersión. Ser capaz de eliminar colores que interfieran con el fondo y proporcionar un buen contraste con las indicaciones. Ser fácil la aplicación. Debe de formar una capa delgada y uniforme sobre la superficie. Gran afinidad con el penetrante. No deben de ser tóxicos para el operador. Debe de presentar alto contraste con el penetrante. Visible con la luz normal.
CLASIFICACIÓN DE LOS REVELADORES:
TÉCNICAS DE LIMPIEZA * Limpieza con detergentes: esta técnica se emplea para eliminar la suciedad de piezas pequeñas. Se sumergen en un tanque con agitación durante 10-15 minutos entre 75 y 95ºC.
* Limpieza con disolvente: consiste en aplicar el disolvente directamente sobre la superficie a inspeccionar, frotándola con trapos o papeles, en función de la rugosidad superficial. En el caso de piezas de pequeñas dimensiones fabricadas en serie o con una morfología compleja, se sumergen en tanques con disolventes hasta que desaparece la suciedad.
* Limpieza con vapor desengrasante: es una técnica que se emplea para eliminar aceites, grasas y otros contaminantes orgánicos.
* Limpieza con limpiadores alcalinos: estos limpiadores contienen distintos detergentes para eliminar diferentes tipos de suciedades. Son productos que se tienen que usar siguiendo estrictamente las instrucciones de los fabricantes
III.
MATERIALES PROBETA (JUNTA EN “T”)
LIQUIDO LIMPIADOR (CLEANER)
LIQUIDO PENETRANTE (PENETRANT)
LIQUIDO REVELADOR (DEVELOPER)
FRANELA
IV.
PROCEDIMIENTO
Fundamentos teóricos de la practica Se formaran cuatro (04) grupos, integrados por cuatro (04) estudiantes. Cada grupo recibirá una cantidad de materiales para realizar la identificación de cada uno de ellos. Los alumnos o cada grupo para realizar la práctica deberán contar con los siguientes materiales: Wuincha Calibrador (Vernier) Transportador. Escuadra. KIT Líquidos Penetrantes y probetas serán proporcionados por el Docente. 1. Limpiar la zona de prueba con la franela 2. Rosear con el líquido penetrante la zona de la soldaura
3. 4. 5. 6.
V.
Luego rosear con el limpiador y quitar lo cubierto en la superficie metalica Rosear con el revelador. Luego volver a limpiar para identificar las fallas de soldadura. Identificar las fallas y tomar notas y medidas.
CUESTIONARIO
Cuáles son los requerimientos que exige la norma ASME BPV SECTION VIII División 1. Para realizar END – Líquidos penetrantes.
Describa y calibre las discontinuidades de las probetas evaluadas.
Características de la probeta
Material: plancha ASTM-A36 Tipo de electrodo: soldadura 7018 (supercito) Tipo de soldadura: filete
Es una junta en T con bordes planos soldados a tope Espesor de las planchas: 3mm = 1/16 pulgadas Como es un electrodo 7018 el tipo de corriente es CA o CC (+) Longitud del cordón de la junta = 156.01mm
Dado que el espesor de ambas planchas es de 8 mm, el tamaño del cateto de la soldadura medida es de 3mm
(45°)= 3/
g = 4.24264mm (garganta)
Defectos del cordón de soldadura COMBADURA Apariencia curvada que toman los objetos al doblarse por los efectos de torsión y/o flexión. Causas probables: Diseño inadecuado. Contracción del metal de aporte. Sujeción defectuosa de las piezas. Preparación deficiente. Recalentamiento en la unión.
SOLDADURA POROSA Puede tener origen muy diferente: o
Poros en los primeros centímetros de la costura: Son frecuentemente producidos por electrodos húmedos que debido al calentamiento del electrodo durante la operación del soldeo, la humedad en el revestimiento se vaporiza, produciéndose la formación de poros. Los electrodos básicos tienen tendencia a la formación de poros iniciales, en caso de soldar con arco demasiado largo. También pueden presentarse poros al haber contacto con un electrodo de revestimiento básico en una base completamente fría. Es bastante fácil evitarlo.
o
Poros al final del cordón: Se presentan, cuando se suelda el electrodo con sobrecarga de corriente, calentándose por esta razón hasta la temperatura de ebullición del alambre.
o
Poros que se presentan en forma regular sobre toda la longitud del cordón: La causa reside generalmente en el material base. Por ejemplo, aceros con alto contenido de azufre o fósforos no pueden soldarse libres de poros cuando se usan electrodos con revestimiento ácido.
o
Nidos de poros no visibles en la superficie:
Se deben, por lo general, a un manejo incorrecto del electrodo. Por una oscilación demasiado pronunciada o una separación excesiva entre los bordes de las planchas a soldar, el metal de aporte se solidifica por acceso del aire e insuficiente protección de la escoria, volviéndose poroso. Causas probables: Arco corto. Corriente inadecuada. Electrodo defectuoso.
Soluciones para superar los defectos. Para superar una soldadura porosa se recomienda:
Usar corriente adecuada con la polaridad correspondiente ya sea directa o inversa. Amperaje adecuado. Usar un electrodo con bajo contenido de hidrógeno y adecuado para el trabajo. Mantener el arco más largo. Usar arco adecuado, controlar la técnica de soldar. Averiguar si hay impurezas en el metal base. Limpiar las superficies de las juntas. Aumentar el calor absorbido, precalentamiento. El soldador debe encender el electrodo aproximadamente 1 cm. detrás del cráter final del cordón anterior, esperando hasta que adquiera buena fluidez para avanzar sobre el cráter final y continuar el cordón. Otra alternativa consiste en demorar un poco sobre el punto de partida, antes de iniciar el avance del electrodo.
Para solucionar una combadura se recomienda:
Corregir el diseño. Martillar (con martillo de peña) los bordes de la unión antes de soldar. Aumentar la velocidad de trabajo (avance). Evitar la separación excesiva entre piezas. Fijar las piezas adecuadamente. Usar un respaldo enfriador. Adoptar una secuencia de trabajo. Usar electrodos de alta velocidad y moderada penetración.
Que otros tipos de END se podría utilizar en remplazo de los Lí quidos P enetrantes .
VI.
Cuál es la importancia de realizar los END en las uniones soldadas.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES
Los ensayos no destructivos – líquidos penetrantes son de gran ayuda al supervisor de los soldadores debido a que uno por simple visualización o experiencia laboral puede dar un punto de vista acerca de los defectos del cordón de soldadura, pero con la gran ayuda de estos ensayos puede este confirmar sus criterios propuestos y/o agregar algunas otros defectos no visibles a simple vista. Se ha podido visualizar las principales características de la probeta (medidas, materiales, tipo de cordón, etc.) y analizar a simple vista los defectos visibles que tuvo este cordón de soldadura. Gracias a la ayuda de los líquidos penetrantes se logró confirmar nuestros principales puntos de vista acerca de los defectos del cordón de soldadura, dando luego las posibles soluciones para poder corregir los defectos.
RECOMENDACIONES
Realizar este trabajo en un local abierto (si es una aula de estudio se recomienda abrir las ventanas), debido a que los gases que producen estos líquidos pueden ser perjudiciales para nuestra salud si son acumulativos. Se debe de tener conocimiento acerca de lo que se va a realizar en el laboratorio (líquidos penetrantes) para evitar posibles errores y/o accidentes por la mala manipulación de los instrumentos. Se debe pedir la supervisión del docente encargado de la práctica para una mayor seguridad y seguir todo lo sugerido por él. Limpiar bien la zona a visualizar con el líquido limpiador para obtener óptimos resultados.
VII.
BIBLIOGRAFIA o
o o
ASME BPV SECTION VIII Division 1 Rules for construction of pressure vessels ASME BPV, SECTION V Nondestructive Examination, Article 6 ASTM E 165 – 02, Standard Test Method for Liquid Penetrant
o
o
VIII.
Examination E 1220 – 99, Standard Test Method for Visible Penetrant Examination Using Solvent-Removable Process Apuntes de clase teórica – ING: NELVER J: ESCALANTE
ANEXOS
