PRUEBA DE EMISIÓN ACÚSTICA Introducción Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y, que ha venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de una amplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA).
Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otra manera, detecta micromovimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un cambio microestructural, tal como lo son las transformaciones de fase en los metales, el crecimiento de grietas, la fractura de los frágiles productos de corrosión, cedencia, deformación plástica, etc. La detección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el hecho de que cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido (emisión acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante el uso de sensores piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficie del material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos y los envía hacia un sistema de adquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los mismos
. Figura 1. Proceso 1. Proceso de emisión acústico.
Es importante mencionar que el método de EA, solamente indica áreas con actividad acústica asociada con la presencia de discontinuidades y no proporciona información acerca del tipo, dimensiones y orientación de la discontinuidad que genera dicha actividad acústica. Por tal, este método en muchas ocasiones se utiliza complementariamente con otros métodos de inspección. Primero, con el método de EA se detectan aquellas áreas con actividad acústica significativa y, posteriormente se aplica algún otro método no destructivo como el ultrasonido o las partículas magnéticas y se obtiene el detalle de la discontinuidad que generó dicha actividad acústica.
A principios de los años 60, una nueva tecnología de ensayos no destructivos había nacido y fue cuando se reconoció que las grietas y discontinuidades, mientras crecían, en recipientes a presión, podían ser detectadas mediante el monitoreo de sus señales de emisión acústica. Aunque, Emisión Acústica es el término más ampliamente utilizado para este fenómeno, también se le ha llamado emisión de ondas de esfuerzo (stress wave emission), ondas de esfuerzo (stress waves), microsismos y/o actividad microsísmica. La definición formal de la Emisión Acústica es “La clase de fenómeno en el cual se generan ondas elásticas mediante la liberación rápida de energía desde fuentes localizadas en un material.”
La inspección mediante emisión acústica es una técnica no destructiva que ha demostrado grandes beneficios en estudios de evaluación de integridad estructural, detectando fugas y defectos, en tanques, recipientes a presión, tuberías, puentes, etc.
La figura 2a muestra un cuerpo, con un defecto inicial, sometido a esfuerzo de tensión. Si existe desarrollo del defecto en el cuerpo, sus señales de emisión acústica revelarán su existencia durante su crecimiento figura 2b. Esta es una de las principales ventajas de la técnica de emisión acústica “Monitoreo en Tiempo Real”.
Figura 2. Cuerpo sometido a esfuerzos desarrollando un defecto.
Una fuente de emisión acústica genera un paquete de ondas elásticas expandiéndose y, cuando este paquete de ondas llega a la superficie del cuerpo, las ondas empiezan a transmitirse superficialmente. Gracias a este fenómeno es posible realizar la detección de defectos a distancia mediante el uso de sensores cerámicos piezoeléctricos (Fig. 3)
Figura 3. Propagación de las ondas de emisión acústica.
Relación con otros métodos de prueba La Emisión Acústica (EA) difiere de otros métodos no destructivos en dos principales aspectos. Primero, la energía que se detecta, se libera del interior del material que se está inspeccionando, a diferencia de otros métodos como el ultrasonido o el radiográfico en los cuales de cierta forma se induce una energía en los materiales. Segundo, la técnica de Emisión Acústica es capaz de detectar procesos dinámicos asociados con la integridad estructural (crecimiento de grietas, deformación plástica). En otras palabras, la técnica de Emisión Acústica detecta movimientos, mientras que los Métodos convencionales de pruebas No Destructivas (MND) detectan discontinuidades geométricas. En la tabla 1 se da una comparación entre el método de Emisión Acústica y los métodos tradicionales de pruebas no destructivas. Tabla 1:
Emisión Acústica
MND
Defecto: Crecimiento/Movimiento
Presencia de Defecto
En relación a la carga aplicada
En relación a la forma
Más sensitivo al material
Menos sensitivo al material
Evaluación global
Evaluación local
Principal Problema:
Principal Problema:
Ruido e Interpretación de datos
Acceso, Geometría e Interpret ación de datos
Tres principales diferencias entre el método de Emisión Acústica y otros métodos de Ensayos No Destructivos:
La causa de la Emisión Acústica es la energía propia de la fuente (movimiento producido por crecimiento de grietas), no energía suministrada por un transductor.
La
fuente Emisión Acústica adquiere energía a través de un estímulo mecánico o térmico
(estado de esfuerzo). Por lo cual está relacionada con el esfuerzo.
El sensor de Emisión Acústica detecta movimiento, no la geometría de las discontinuidades.
No
intrusivo.
Procedimiento de prueba Un procedimiento típico de inspección con emisión acústica, consta de las siguientes etapas: 1. Puesta a punto del equipo. 2. Adquisición de datos. 3. Análisis e interpretación de datos.
4. Evaluación de Datos. 5. Recomendaciones. La primera etapa, consiste en obtener datos de la estructura a inspeccionar (tanques, recipientes a presión, tubería, etc.), dentro de los cuales, si la estructura se encuentra en servicio, el más importante es la carga y/o presión máxima a la que se ha sometido la estructura hasta antes de su prueba de EA.
Adicionalmente datos como: tipo de material, temperatura de trabajo, uso de aislantes, fecha y datos de la última inspección realizada, etc., también son útiles. Con estos datos se determina, entre otras cosas, el tipo y número de sensores a utilizar. Con esto, el equipo se pone a punto, lo cual consiste en la instalación de sensores sobre la superficie de la estructura a inspeccionar. La colocación y distribución de los sensores se determina en base a pruebas de atenuación, las cuales consisten en la colocación de uno o más sensores y generar intencionalmente una fuente de emisión acústica a diferentes distancias del sensor. Mientras se simula la fuente de emisión acústica, su intensidad es registrada y se construye una gráfica de atenuación, representando en el eje Y la intensidad y en el eje X la distancia. Con este tipo de gráficas se determina la distancia máxima a la cual el transductor puede captar una señal de buena intensidad y así determinar el espaciamiento adecuado entre sensores. Después, se fija el nivel de detección adecuado para filtrar la mayor parte del ruido ajeno a la estructura, hasta aquí el equipo está listo para la adquisición de datos.
Una vez que se ha puesto el equipo a punto, comienza la etapa de adquisición de datos. Durante esta etapa la estructura gradualmente se va sometiendo a carga, hasta sobrepasar la máxima carga previamente aplicada en servicio. Durante este proceso de carga, la adquisición de datos es continua y no debe detenerse, ya que cualquier interrupción puede ser perjudicial para la etapa de análisis de datos.
El análisis de datos se realiza mediante la construcción de gráficas de correlación, gráficas de tipo histórico y de distribución. Con ayuda de estas gráficas se realiza la interpretación de datos y, los defectos o las emisiones detectadas son identificadas y clasificadas de acuerdo a su severidad y/o intensidad. En base a esta clasificación, se procede a dar recomendaciones. Por ejemplo, si después del análisis e interpretación de datos no se encontraron señales indicativas de defectos severos la recomendación puede ser, una próxima inspección dentro de un período no mayor a tres o cuatro años.
Por otro lado, si se han encontrado señales indicativas de defectos severos o en desarrollo, la recomendación sería una inspección inmediata, mediante métodos tradicionales no destructivos, en las áreas que presentaron este tipo de actividad.
Figura 4. Aplicación típica de emisión acústica.
Aplicaciones del método de emisión acústica El método de EA puede ser aplicado prácticamente a cualquier estructura que se encuentre sujeta a esfuerzos, ya sean mecánicos o térmicos o una combinación de ambos. Sus principales aplicaciones son en la industria Química, Petroquímica, Papelera, Aeronáutica, Alimenticia, Cerámica, de la Construcción y otras.
En estudios de evaluación de integridad estructural, la emisión acústica se complementa excelentemente con otros métodos, ya que los resultados que arroja son de tipo global y no se requiere que la estructura a evaluar esté fuera de servicio.
Aplicaciones como END Se describen dos de las aplicaciones más extendidas de este método:
Mecánica de Fractura: Por emisión acústica se han realizado estudios de tracción en monocristales, así como investigaciones sobre emisiones durante transformaciones de fases metálicas (las transformaciones martensíticas son una fuente importante de emisiones acústicas). También se ha estudiado la mecánica de fractura en materiales con grietas, así se ha comprobado que si se somete una pieza con grietas a una deformación plástica, se da una emisión acústica que se inicia en los extremos de la misma y en puntos de concentración de tensiones. Este procedimiento concreto es directamente aplicable en el campo de los ENDs. Relacionados con esto, están los ensayos que permiten relacionar la frecuencia de las emisiones acústicas en las proximidades de una grieta con el crecimiento y evolución en el tiempo de la misma. Así, realizando inspecciones periódicas de indicaciones conocidas se
puede predecir el comportamiento y prever posibles fallos catastróficos. Este es un campo en pleno proceso de I+D y en cualquier caso se puede considerar una técnica de laboratorio, más que una técnica de inspección en servicio.
Integridad de Estructuras: Una característica diferenciadora de este método de END, frente a todos los expuestos antes es que es un ensayo dinámico. Esto es, requiere que los componentes estructurales estén sometidos a una solicitación lo más aproximada posible a la producida durante la operación. Es pues un método ideal para ser aplicado durante el funcionamiento real, si las condiciones ambientales lo permiten.
Actualmente se emplea el método de emisión acústica en los siguientes campos:
Vigilancia continúa de vasijas en CCNN para detección y localización de grietas.
Vigilancia de grandes componentes a presión, durante ensayos hidrostáticos.
Control de agrietamiento de las soldaduras durante procesos de enfriamiento.
Determinación de agrietamientos por corrosión bajo tensión en estructuras de responsabilidad.
Las ventajas de EA son: Los
defectos hacen su propia señal (responden a carga, por eso permiten un descubrimiento
rápido y temprano de defectos). La
EA detecta los movimientos (otros métodos no destructivos detectan las discontinuidades
geométricas). Detección
de crecimiento/movimiento de los defectos (sensibilidad alta).
Monitorización Tiempo
real de monitorización.
Detección No
global.
de disposición de posibles defectos.
es necesario limpiar la superficie.
Las desventajas del método son: Ruido
exterior.
Interpretación
de los resultados.
El método de EA puede aplicarse en siguientes casos: o
Estudios en laboratorio (ensayos no destructivos).
o
Inspección de estructuras.
o
Estudios de evaluación de estructura.
o
Pruebas de carga.
o
Estudios de corrosión.
o
Pruebas de materiales avanzadas (compuestos, cerámica).
o
Control de calidad de producción.
o
Detección de fallos incipientes por fatiga en componentes estructurales de aeronaves.
o
Control de agrietamiento de las soldaduras durante el proceso de enfriamiento.
o
Estudios del comportamiento de los materiales a altas temperaturas.
Normas: La primera norma de pruebas para el uso en campo de inspección de dispositivos para trabajo aéreo del personal fue la F914/F914M de ASTM, esta norma fue seguida en 1992 por la F1430/F1430M, Método de prueba para ensayos por emisión acústica de dispositivos con y sin aislamiento para trabajo aéreo del personal con accesorios porta cargas complementarios, y en
.
1997 por la F1797/F1797M
Conclusiones: La inspección mediante Emisión Acústica es un método capaz de detectar grietas, corrosión, discontinuidades, fugas, etc., en prácticamente cualquier tipo de estructura sujeta a presión o cargas (Tanques, Tuberías, Recipientes a presión, etc.).
Es un método de inspección global y los resultados se obtienen rápidamente. En el caso de recipientes nuevos, se puede utilizar en conjunto con la prueba hidrostática para detectar el posible desarrollo de defectos antes de que el recipiente se ponga en servicio.
En recipientes en servicio, después del análisis e interpretación de datos, se pueden dar recomendaciones oportunas y, dependiendo de la severidad del defecto, las recomendaciones pueden ser una inspección con métodos tradicionales (UT, LP, PM, etc.) en áreas específicas, o bien, una futura inspección con emisión acústica en un período no mayor a tres años.
Referencias: http://pndmx.comze.com/articulos/AE_soldadura_2001.pdf http://www.tecnologiatotal.net/Pre_Emision_Acustica.pdf http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/12327/4/Capitulo3_Emision%20acustica.pdf
