Práctica de Ultrasonido

Transcripción

1 Universidad Nacional de Luján 1. Objetivo Realizar el ensayo no destructivo de medición de espesores mediante un equipo digital de ultrasonido. Reconocer las características particulares del quipo. Uso del palpador de incidencia normal. Reconocer las características principales del material a medir. Determinar las limitaciones de la técnica de ensayo no destructivo. 2. Introducción El equipo de medición de espesores con ondas ultrasónicas se utiliza, como su nombre lo indica, para la medición de espesores de cualquier material en donde las ondas ultrasónicas pueden ser transmitidas y reflejadas nuevamente desde una superficie opuesta de donde se coloca el palpador. Es una técnica de ensayo no destructivo rápida, sencilla y precisa. En la actualidad se aplica ampliamente para la medición de espesores de cañerías, chapas, perfiles y recipientes a presión, en equipos durante su fabricación, como así también para el monitoreo de disminución de espesor durante su uso en toda su vida útil. Su aplicación se extiende ampliamente en la industria petrolera, química, metalúrgica, aeroespacial, naval y muchas más. Se puede utilizar para la medición de espesores de metales, plásticos, cerámicos, materiales compuestos, epoxis, vidrios y otros materiales que puedan transmitir ondas ultrasónicas. Existen diferentes modelos de transductores para diferentes aplicaciones, incluyendo materiales de grano grueso y aplicaciones para alta temperatura Principio de medición Una onda ultrasónica se emite desde un cristal piezoeléctrico (cristal emisor), el cual está en contacto con la superficie de la pieza a medir por medio de un acoplante adecuado. El acoplante permite que el ultrasonido pueda transmitirse hacia la pieza, y viajar a través de él. Cuando la onda ultrasónica alcanza la superficie opuesta de la pieza, se refleja nuevamente hacia el palpador y transmitida hacia éste a través del acoplante. El palpador posee además un cristal piezoeléctrico receptor, el cual permite determinar el momento en el que recibe la onda ultrasónica emitida por el cristal emisor. De esta forma, la electrónica del equipo permite determinar el tiempo en que un pulso de ultrasonido hace un recorrido de ida y vuelta sobre la pieza a medir. Este tiempo debe ser dividido por dos, ya que sólo uno de ambos recorridos es el de interés. El espesor de la pieza resulta de multiplicar este cociente por la velocidad del sonido en el material, es decir: v t e 2 donde: e = espesor de la pieza a medir v = velocidad del sonido del material t = tiempo de la transmisión de ida y vuelta que mide el palpador 2.2. Transductores (Palpadores) Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica (ondas sonoras) o viceversa. Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se 1

2 tensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de un cristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por las propiedades de simetría de algunos cristales. La siguiente tabla resume las principales características de algunos materiales piezoeléctricos. MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS CUARZO SULFATO DE LITIO CERÁMICOS POLARIZADOS TITANATO DE BARIO METANIOBATO DE BARIO ZIRCONATO TITANATO DE PLOMO Se obtiene a partir de cristales naturales. Posee excelentes características de estabilidad térmica, química y eléctrica. Es muy duro y resistente al desgaste así como al envejecimiento. Receptor más eficiente. Facilidad de obtener una amortiguación acústica optima. Mejor poder de resolución. No envejece. Es poco afectado por la interferencia en el modo de conversión. Se obtienen por sinterización y se polarizan durante el proceso de fabricación. Se consideran los generadores más eficientes de energía ultrasónica cuando operan a bajos voltajes de excitación. Prácticamente no son afectados por la humedad. Algunos pueden emplearse hasta temperaturas de 300 C. Es un buen emisor debido a su elevado modulo piezoeléctrico. Presenta un modulo piezoeléctrico elevado lo que lo califica como buen emisor. Posee excelente estabilidad térmica, similar al cuarzo, lo que le permite ser empleado a altas temperaturas. Posee un elevado coeficiente de amortiguación interna, por lo que se considera como el mejor material para generar impulsos cortos. Sufre interferencias en el modo de conversión. Es el menos eficiente de los generadores de energía acústica. Requiere alto voltaje para su manejo a bajas frecuencias. Para T<550 C, sino pierde propiedades piezoeléctricas. Es muy frágil. Soluble en agua. Se debe emplear a temperaturas menores de 75 C. Resistencia mecánica relativamente baja, En algunos casos existe interferencia en el modo de conversión. Presentan tendencia al envejecimiento. Además poseen menor dureza y resistencia al desgaste que el cuarzo. Problemas de acoplamiento y amortiguación. Está limitado a frecuencias menores de 15 MHz, por su baja resistencia mecánica y alta impedancia acústica. La Temperatura Curie es C. Presenta una baja frecuencia fundamental y una mala resistencia mecánica, por lo que se aplica principalmente a frecuencias altas. Presenta interacción entre varios modos de vibración. Se considera como el mejor emisor por su alto modulo Es el más difícil de amortiguar por su alto piezoeléctrico. coeficiente de deformación. Se recomienda su empleo cuando existen problemas de penetración. Tabla 1. Principales características de algunos materiales piezoeléctricos Tipos De Palpadores Palpador de contacto. Se coloca directamente en la superficie de prueba aplicando presión y un medio de acoplamiento. Se fabrica para inspecciones de haz recto. Para proteger el transductor de la abrasión, se cubre con un material duro como el oxido de aluminio. Palpadores de haz recto. Emite ondas longitudinales con frecuencias de 0.5 a 10 MHz. Se emplea generalmente para la inspección de piezas en las que se puede colocar directamente la unidad de prueba sobre el área de interés las discontinuidades son paralelas a la superficie de contacto. También es útil en la detección de discontinuidades y en la medición de espesores. 2

3 Palpadores angulares. Los ángulos comerciales para el acero son 35, 45, 60, 70, 80, 90 grados Elección del palpador La elección de la frecuencia del palpador depende del poder resolutivo y sensibilidad que se pretende para el ensayo. Una menor frecuencia implica mayor apertura angular y menor sensibilidad y viceversa. Sin embargo, un haz ultrasónico estrecho y de alta intensidad para localizar defectos pequeños, puede ser contraproducente ya que podría pasar algún defecto inadvertidamente. Para materiales de grano grueso conviene utilizar bajas frecuencias, del orden de 0.2 a 2 MHz. Para materiales de grano fino la frecuencia aconsejada es de 2 a 5 MHz. Para un acero, las longitudes de onda serían de 1 a 3 mm, por lo que podrían localizar discontinuidades de 0.5mm (que se considerarían defectos. Para materiales de grano extremadamente fino, en donde se requiera localizar defectos extremadamente pequeños, se utilizarán frecuencias entre 5 y 10 MHz. La Tabla 2 resume las características de algunos modelos de palpadores. En la práctica se utilizará el modelo CT-10 mostrado en la Figura 1. Modelo Frecuencia Rango de medición Diámetro Característica CT-10 5MHZ mm 10mm Medición convencional XT-6 6MHZ mm 6mm Espesores delgados WT-4 7.5MHZ mm 4mm ZT MHZ mm 12mm GT-300 5MHZ mm 10mm Alta temperatura (350 C) con acoplante adecuado. Tabla 2. Características de algunos modelos de palpadores. 3

4 Figura 1. Palpador empleado en la práctica Acoplante Es un líquido más o menos viscoso que se utiliza para permitir el paso de las ondas del transductor a la pieza bajo ensayo, ya que las frecuencias que se utilizan para materiales metálicos no se transmiten en el aire. Los acoplantes más comunes son: agua, aceite, grasa, glicerina y vaselina. Las características que debe tener el acoplante son: humectabilidad (capacidad de mojar la superficie y el palpador), viscosidad adecuada, baja atenuación, bajo costo, removible, no toxico, no corrosivo, impedancia acústica adecuada Condiciones de medición 1. Acople En el ensayo práctico es preciso asegurar el fácil pasaje de las ondas ultrasónicas desde el palpador a la pieza de ensayo y viceversa, para obtener resultados seguros y reproducibles. Por esto, se debe remover todo el aire entre ellos lo que se realiza con el mojado de la superficie de la pieza por medio de un líquido acoplante. 2. Limpieza de la superficie Es extremadamente importante limpiar adecuadamente la superficie a medir, eliminando restos de óxido, suciedad, pintura. Para un material metálico, lo ideal es poder ver la superficie con el brillo característico del material en su estado metálico (no oxidado). 3. Rugosidad Una superficie muy rugosa puede causar errores en la medición. Antes de medir, se debe amolar superficialmente la superficie. Si la rugosidad superficial de la pieza es del orden o superior a la longitud de onda, se producirá dispersión acústica debido a la refracción. La misma regla vale para la superficie posterior, donde la onda ultrasónica es dispersada por el fenómeno de reflexión. Como consecuencia de esto, la sensibilidad de indicación se reduce en comparación con otra pieza de igual tamaño, igual material, pero de superficie más lisas. Los efectos de reducción de la sensibilidad debida a la rugosidad puede ser compensada por el pulido de la superficie, o aumentando la ganancia del receptor. Obviamente, se debe ser cuidadoso para tener un buen acoplamiento, para esto se puede usar una capa protectora de neopreno resistente al aceite (llamada suela), colocada en el frente del palpador con algunas gotas de acoplarte entre éste y el neopreno. Esta capa llenará las desigualdades de la superficie facilitando la transferencia del sonido y protegiendo, a su vez, a la cara del palpador contra el desgaste. Una parte de la energía ultrasónica será absorbida por la suela, pero el beneficio por el mejoramiento del acople, en muchos casos, es mayor que las perdidas en el material de la suela. 4

5 4. Recubrimiento Se debe prestar especial atención a las superficies con recubrimientos. La regla general es que un recubrimiento firmemente adherido (por ejemplo capas de pinturas, cascarillas firmemente adherentes o capas de herrumbre) causarán un efecto perturbador pequeño; pero es aconsejable la limpieza de la superficie por medio de cepillo de acero, lima, raspador o amolado cuando se encuentren depósitos exfoliados, esto es, cuando exista aire en los pequeños vacíos entre el depósito y la pieza. Estos espacios impiden en muchos casos la transferencia del ultrasonido. Superficies húmedas o grasosas en general no representan un inconveniente, la mayoría de las veces hasta ofrecen una ventaja a causa de que sus propiedades mejoran el acoplamiento Especificaciones del equipo TG3300 Rango de medición: 0.75mm 300.0mm Rango de velocidades de sonido: 1000m/s 9999m/s Resolución del display: 0.01mm (menos de 99.99mm) o 0.1mm (más de 100.0mm) Precisión: +/- (0.5%espesor ) mm dependiendo del material y condiciones de medición. Fuente de energía: dos baterías 1.5V AA Comunicación: puerto serie RS232 Peso: 238g Cantidad de mediciones por segundo: 4 Memoria: hasta 5 archivos. Cada archivo hasta 100 mediciones Figura 2. Equipo utilizado en la práctica. 3. Pasos a paso para la medición de espesores 1. Conectar el cable del palpador en el equipo 2. Encender el equipo. Se muestra brevemente información del instrumento y luego la última velocidad del sonido cargada en el equipo: 5

6 3. Ajustar la velocidad del sonido presionando y luego los botones y hasta alcanzar el valor deseado. La siguiente tabla resume las velocidades de sonido en algunos materiales de interés. Material Vel. del sonido (m/s) Material Vel. del sonido (m/s) Aluminio Nylon 2680 Zinc 4170 Titanio 5990 Plata 3607 Resina Epoxy 2540 Oro 3251 Agua 1473 Estaño 2960 Plexiglass 2692 Acero al Carbono 5920 Fundición gris 4600 Acero Inoxidable 5740 Porcelana 5842 Bronces 4399 Vidrio 5570 Cobre 4720 Poliestireno 2337 Hierro 5930 PVC 2388 Plomo 2400 Teflon 1422 Tabla 3 Velocidades de sonido en algunos materiales de interés. 4. Determinar la frecuencia del palpador presionando hasta mover el cursor a la posición mostrada en la siguiente figura. Presionar para cambiar las frecuencias a los valores 5M, 7M o ZW. 5. Medición cero. Con la frecuencia del palpador adecuada y con una velocidad del sonido de 5900 m/s, colocar acoplante en el patrón de calibración de 4mm y presionar levemente. El indicador de acople debe estar encendido todo el tiempo que se esté presionando el palpador. Presionar la tecla. En la pantalla deberá aparecer el mensaje, indicando que la calibración fue exitosa. 6

7 NOTA: La calibración cero debe hacerse luego de cada cambio de palpador, cambios en el ambiente de trabajo, temperatura, etc. 6. Medición de la pieza. Colocar acoplante en el lugar donde se tomará la medición y presionar levemente el palpador en dicho lugar. La pantalla mostrará el espesor de la pieza. Al remover el palpador, el espesor medido permanece en la pantalla y el indicador de acople desaparece. Registrar el valor medido. NOTA: Cualquier parpadeo del indicador de acople mientras se ejecuta la medición, es indicio de un acople deficiente entre el palpador y la pieza. 4. Paso a paso para la medición de la velocidad del sonido Mediante este equipo se puede medir la velocidad del sonido en un material si se conoce su espesor. 1. Medir el espesor de la pieza mediante un calibre. 2. Acoplar el palpador en la pieza hasta lograr una lectura de espesor determinada. 3. Remover el palpador. 4. Ajustar el espesor del display con el medido con el calibre mediante las teclas y. 5. Presionar y el display mostrará la velocidad del sonido en el material medido. NOTA: El espesor recomendado para la medición de la velocidad del sonido en un determinado material es de 20mm. Por ejemplo, para la medición de la velocidad del sonido en una pieza de 25.0mm, el procedimiento es el siguiente: 7

8 5. Informe El informe debe incluir: Las medidas de los espesores tomadas de cada muestra y con los diferentes métodos de medición: ultrasonido y calibre. Tomar varias medidas en cada caso. Un análisis de errores mediante el cálculo de medias y desviaciones de los espesores para cada método de medida, en cada muestra. Compararlo con el error experimental y comentar los resultados atendiendo a aspectos como: Dispersión de las medidas en una misma muestra. Es uniforme el espesor medido? Se debe informar el error en la medición de espesores con ultrasonido. Comparación de métodos de medida sobre una misma muestra. Son los espesores comparables, dentro de los márgenes de error? Si no es así razonar la causa. 8