UNIVERSIDAD VERACRUZANA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA HERRAMIENTAS DINÁMICAS DEL MANTENIMIENTO A EQUIPOS MECÁNICOS ROTATORIOS MONOGRAFÍA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA P R E S E N T A: MARIO ALBERTO RODRÍGUEZ CORTAZA DIRECTOR: ING. MARTHA E. MORALES MARTÍNEZ XALAPA, VER. FEBRERO DE 2012

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3 INDICE HERRAMIENTAS DINÁMICAS DEL MANTENIMIENTO A EQUIPOS MECÁNICOS ROTATORIOS INTRODUCCIÓN 1 CAPÌTULO I MANTENIMIENTO PREDICTIVO 1.1 LA PREVENCION CONDICIONADA ROLES Y PROFESIONALIDAD EN EL MANTTO. PREDICTIVO MODELOS ORGANIZATIVOS DEL MANTTO. PREDICTIVO PRESUPUESTOS PARA UN SISTEMA DE MONITOREO CAPÌTULO II HERRAMIENTAS DE DIAGNÓSTICO EN LOS EQUIPOS MECÁNICOS ROTATORIOS INTRODUCCIÓN A LAS TECNOLOGÍAS DE DIAGNÓSTICO CORRIENTES INDUCIDAS EMISION ACÚSTICA LÍQUIDOS PENETRANTES MAGNETOSCOPÍA (INSPECCIÓN CON PARTÍCULAS MAGNÉTICAS) MÉTODOS ÓPTICOS RADIOGRAFÍA DETECCIÓN DE FUGAS TERMOGRAFÍA... 49

4 2.9 ULTRASONIDO ANALISÍS DE VIBRACIONES ANALISÍS DE LOS ACEITES LUBRICANTES ANALISÍS DE LOS ACEITES DE LOS TRANSFORMADORES DIELECTRIC LOSS ANALYSIS (DLA) CAPÌTULO III EL PLAN DEL MANTENIMIENTO DEL SABER HACER 3.1 INTRODUCCIÓN A LA METODOLOGÍA DEL SABER HACER EL ANALISÍS DE LA FALLA EN EL SABER HACER EL ENFOQUE METODOLÓGICO DEL SABER HACER EL INSTRUMENTO OPERATIVO DEL SABER HACER COMO ORGANIZAR LA IMPLEMENTACIÓN DEL SABER HACER CAPÌTULO IV ESTRATEGÍAS DE MEJORA CONTINUA EN EL MANTENIMIENTO 4.1 IMPORTANCIA ESTRATÉGICA DE LA MEJORA CONTINUA CONTENIDOS DE LA MEJORA CONTINUA PARADIGMAS DE LA MEJORA CONTINUA: DEL PDCA AL PROBLEM SOLVING Y AL SIX SIGMA RASGOS DE LA METODOLOGÍA SIX SIGMA SIX SIGMA Y LA MEJORA CONTINUA EN MANTTO.: EL MÉTODO DMAIC

5 CAPÌTULO V EL MANTENIMIENTO TOTAL PROACTIVO 5.1 INTRODUCCIÓN OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO TOTAL PROACTIVO (TPM) LAS SEIS PÉRDIDAS DEL MANTENIMIENTO TOTAL PROACTIVO (TPM) OVERALL EQUIPMENT EFFECTIVENESS (OEE) ELEMENTOS DEL TPM DISTRIBUCIÓN DE LA RESPONSABILIDAD SOBRE LAS INSTALACIONES CONCLUSIONES CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA

6 INTRODUCCIÓN Qué es mantenimiento? Definimos habitualmente Mantenimiento como el conjunto de técnicas destinadas a conservar equipos e instalaciones en servicio durante el mayor tiempo posible (buscando la más alta disponibilidad) y con el máximo rendimiento. El Mantenimiento Industrial es una compleja actividad Técnico - Económica que tiene por finalidad la conservación de los activos de la empresa, maximizando la disponibilidad de los equipos productivos, tratando que su gestión se lleve a cabo al menor costo posible. Historia y evolución del mantenimiento A lo largo del proceso industrial vivido desde finales del siglo XIX, la función Mantenimiento ha pasado diferentes etapas. En los inicios de la Revolución Industrial, los propios operarios se encargaban de las reparaciones de los equipos. Cuando las máquinas se fueron haciendo más complejas y la dedicación a tareas de reparación aumentaba, empezaron a crearse los primeros departamentos de mantenimiento, con una actividad diferenciada de los operarios de producción. Las tareas en estas dos épocas eran básicamente correctivas, dedicando todo su esfuerzo a solucionar las fallas que se producían en los equipos. A partir de la Primera Guerra Mundial, y sobre todo de la Segunda, aparece el concepto de Fiabilidad, y los Departamentos de Mantenimiento buscan no sólo solucionar las fallas que se producen en los equipos, sino sobre todo, prevenirlas y actuar para que no se produzcan. Esto supone crear una nueva figura en los departamentos de mantenimiento: personal cuya función es estudiar qué tareas de mantenimiento deben realizarse para 1

7 evitar las fallas, de tal manera que con esto se menore los costos de mantenimiento, pero con el firme propósito de buscar el aumentar y viabilizar la producción, a más de evitar pérdidas por averías y costos asociados. Es así como aparece el Mantenimiento Preventivo, el Mantenimiento Predictivo, el Mantenimiento Proactivo, la Gestión de Mantenimiento asistido por Ordenador, y el Mantenimiento del Saber Hacer. El Saber Hacer como estilo de gestión de mantenimiento, se basa en: El estudio de equipos, En el análisis de los modos de fallo y En la aplicación de técnicas estadísticas y tecnología de detección. Podríamos decir que el Saber Hacer es una filosofía de mantenimiento básicamente tecnológica. Para llegar al Mantenimiento Total Proactivo (TPM), hubo que pasar por tres fases previas siendo la primera de ellas el Mantenimiento de Reparaciones (o Reactivo), el cual se basa exclusivamente en la reparación de averías. Solamente se procedía a labores de mantenimiento ante la detección de una falla o avería y, una vez ejecutada la reparación toda quedaba allí. Con posterioridad y como segunda fase de desarrollo se dio lugar a lo que se denominó el Mantenimiento Preventivo. Con ésta metodología de trabajo se busca por sobre todas las cosas la mayor rentabilidad económica en base a la máxima producción, estableciéndose para ello funciones de mantenimiento orientadas a detectar y/o prevenir posibles fallos antes que tuvieran lugar. En los años sesenta tuvo lugar la aparición del Mantenimiento Productivo, lo cual constituye la tercera fase de desarrollo antes de llegar al TPM. El Mantenimiento 2

8 Productivo incluye los principios del Mantenimiento Preventivo, pero le agrega un Plan de Mantenimiento para toda la vida útil del equipo, más labores e índices destinamos a mejorar la Fiabilidad y Mantenibilidad. A partir de los años 70 y 80, comienza a introducirse en el Japón el modelo inicial, en el que los operarios de producción se ocupen del mantenimiento de los equipos. Se desarrolla así el TPM, o Mantenimiento Total Proactivo, en el que algunas de las tareas que son normalmente realizadas por el personal de mantenimiento, son ahora realizadas por operarios de producción. Esas tareas transferidas son trabajos de limpieza, lubricación, ajustes, reaprietes de tornillos y pequeñas reparaciones. Con esto se pretende conseguir que el operario de producción se implique en el cuidado de la máquina, siendo el objetivo último de TPM conseguir cero averías. Como filosofía de mantenimiento, TPM se basa en la formación, activación e implicación del equipo humano, en lugar de la tecnología. TPM y el Saber Hacer, no son formas opuestas de dirigir el mantenimiento, sino ambas conviven en la actualidad en muchas empresas. La relación entre Mantenimiento y Producción tal vez sea válida en entornos en los que no existe Gestión de Mantenimiento, donde Mantenimiento tan solo se ocupa de la reparación de las fallas que comunica Producción. Pero esta situación es muy discutible cuando el Mantenimiento se gestiona, entendiendo por gestionar tratar de optimizar los recursos que se emplean. En estos casos, Producción y Mantenimiento son dos elementos igualmente importantes del proceso productivo. 3

9 CAPITULO I MANTENIMIENTO PREDICTIVO 4

10 1.1 La prevención condicionada La misión del mantenimiento consiste en conservar los equipos y las instalaciones durante su vida útil, para que estén en condiciones de producir bienes y servicios en determinada cantidad y calidad al mínimo costo posible. Es útil recordar este asunto fundamental, como apertura de este capítulo sobre el mantenimiento según condición y predictivo y sobre las metodologías de diagnostico, en apoyo de estas políticas de mantenimiento. Un mix de políticas, en el cual prevalezca el mantenimiento preventivo en sus diferentes articulaciones (el nivel optimo se sitúa entre el 70% y el 80% del total de los recursos erogados), es la solución preferible por ser la más económica. Volviendo al mantenimiento según condición y predictivo, es bueno precisar que es una prevención condicionada es decir, orientada a la sustitución de un componente o de un subconjunto al cual es posible detectar un deterioro incipiente. La detección del deterioro se puede hacer a través de visitas y controles visuales o mediante mediciones con equipos e instrumentos, de los parámetros relativos al desgaste (un ejemplo clásico es la falta de balance de una masa rotante y la vibración consiguiente). El diagnostico es el resultado de la medición de los parámetros que, oportunamente correlacionados según leyes empíricas y elaboradas, permiten elaborar el estado de los equipos, equipamientos y componentes, y decidir que hay que efectuar una determinada intervención de mantenimiento. La ingeniería del mantenimiento ha crecido indudablemente en los últimos 30 años en Italia y los países industrializados. 5

11 A continuación se muestra un esquema que pone en evidencia, en empresas de excelencia y que por tanto debe ser considerado como objetivo a seguir, una disminución drástica del mantenimiento correctivo del 60% al 10% y un mantenimiento planificado (preventivo + de mejoras) que llega al 90% en cuyo ámbito el mantenimiento sobre condición y el preventivo pasan del 20% al 50%. Evolución del mix de políticas de 1970 a 2000 en empresas de excelencia Correctiva (intervención rápida) 60% 10% Preventivo ciclico 20% 30% Según condición /predictivo 20% 50% De mejora 0% 10% Mantenimiento planificado 40% 90% Según condición/predictivo 20% 50% Figura 1 Evolución del mix de políticas desde 1970 al 2000 en empresas de excelencia Es muy interesante evidenciar, siempre en los últimos 30 años, la tendencia de los índices de de gastos de mantenimiento/activos fijos técnicos brutos y gastos de mantenimiento/valor de reemplazo, que resultan sensiblemente decrecientes, pudiendo imputar estos resultados principalmente al desarrollo del mantenimiento según condición y predictivo y al desarrollo de diagnostico. 6

12 Tendencias de los índices relativos a los costos de mantenimiento gastos de mantenimiento/valores de reemplazo en % gastos de mantenimiento/activos fijos tecnicos en % Figura 2 Tendencia de los índices relativos a los costos de mantenimiento Aa 1.2 Roles y profesionalidad en el mantenimiento predictivo El mantenimiento predictivo y el basado en la condición, representan una forma de ver al mantenimiento, una valorización de las tecnologías de diagnostico, y sobre todo un comportamiento organizativo orientado a una prevención sobre condición. Esta mentalidad debe de difundirse por toda la estructura, desde los roles gerenciales hasta los operativos, involucrando los obreros de producción hasta quien maneja el equipo o realiza el mantenimiento autónomo que consiste prevalentemente en detectar señales débiles. Las actividades de inspección, que son las bases del mantenimiento predictivo y según condición, deben realizarse en un contexto de rigurosa planificación, evitando las improvisaciones y las sugerencias de la oferta tecnológica. Es fundamental la sistematización de los controles. El empleado de mantenimiento, como médico del 7

13 equipo necesita informaciones continuas, aun que solo provengan de controles visibles, cuya frecuencia es función de la tasa de falla y de la criticidad de la misma. El inspector es una figura profesional que debe tener competencia especializada y sistémica: especializada, relativa al conocimiento de los instrumentos de diagnostico utilizados y a la capacidad de evolución sobre la confiabilidad y la interpretación de los datos obtenidos; sistémica, relativo al conocimiento del proceso y del equipo entendida en su unidad tecnológica y funcional. 1.3 Modelos organizativos del mantenimiento predictivo Los modelos organizativos del mantenimiento de inspección son tres, que pueden ser complementarios y no alternativos: centralizado; descentralizado; mantenimiento autónomo. Las elecciones del mix de estos modelos están ligadas a orientaciones organizativas que atañen a todo el mantenimiento, así como también a toda la estructura organizativa de la empresa. Se hace referencia a la adopción de modelos, como los de una organización ágil, y a la descentralización más o menos dirigida de los recursos y de las responsabilidades del mantenimiento, en las áreas productivas. 8

14 El modelo centralizado prevé una estructura de prevención centralizada, con recursos y equipamiento en un centro único y con un eventual apoyo de la producción para las actividades de mantenimiento. Modelo centralizado del mantenimiento predictivo Modelo centralizado Inspecciones gestionadas desde un centro único Instalación A Instalación B Instalación C Figura 3 Modelo centralizado del mantenimiento predictivo El modelo descentralizado prevé la centralización de las inspecciones críticas y complejas, mientras que las inspecciones simples se realizan a través de inspectores descentralizados. También en este caso es determinante el aporte del mantenimiento autónomo.. 9

15 Modelo descentralizado del mantenimiento predictivo Inspecciones no criticas y simples realizadas por inspectores descentralizados Modelo descentralizado Inspecciones criticas y complejas realizadas desde un único centro Instalación A Instalación B Instalación C Figura 4 Modelo descentralizado del mantenimiento predictivo Desde el punto de vista de la inspección, el ámbito del mantenimiento autónomo es aquel de inspecciones simples que hacen posible el reconocimiento a tiempo de las anormalidades y de la tendencia al deterioro, ampliando el espacio de la prevención según condición y permitiendo la anticipación de las desviaciones. Estas actividades representan para el operador de producción unas de las responsabilidades más importantes en el ámbito del mantenimiento preventivo y un rol de sensor inteligente desarrollado en simbiosis con el equipo o el sector de la planta donde trabaja. 10

16 1.4 Presupuestos para un sistema de monitoreo La definición de las políticas es la base del proyecto del sistema del mantenimiento. El modo para definir las políticas del mantenimiento parte del conocimiento de 2 parámetros fundamentales: la tasa de falla entendida como modalidad o como frecuencia de eventos en la unidad de tiempo; el costo global de la intervención de mantenimiento y de inspección referido a la unidad de tiempo. Curva de la bañera Figura 5 Curva de la bañera Se entiende que esta curva se divide en tres fases: Rodaje (o mortandad infantil): tasa de falla decreciente; Vida útil: tasa de falla constante Desgaste: tasa de falla creciente. 11

17 En las fases cuyas tasa de falla no es creciente (tasa de falla constante). El modo económicamente útil de hacer prevención es el de supervisar cada uno de los componentes críticos del equipo y hacer intervenciones preventivas dirigidas a aquellos componentes en los cuales hay realmente un fenómeno de deterioro. En general es posible afirmar: Rodaje: la política más oportuna es por falla, excepto que se aplique la política sobre la condición cuando sea económicamente conveniente. Vida útil: si el equipo se puede inspeccionar, la política más oportuna es el mantenimiento según la inspección, cuando el costo global de mantenimiento por inspección es inferior al costo por falla; en caso contrario, la política a aplicar es por falla. Desgaste: las políticas más oportunas son el mantenimiento preventivo ciclico o bien aquel que sigue a una inspección, si el costo global del mantenimiento preventivo es inferior al costo global del mantenimiento por falla; en caso contrario, la política a aplicar es la del mantenimiento por falla. La lógica para la definición de las políticas de mantenimiento, debe enriquecerse con la consideración de la existencia o no de señales débiles, es decir, la posibilidad de que el progreso de la falla potencial muestre o no señales perceptibles o mesurables de algún modo. En caso afirmativo, habiendo verificado la factibilidad del control, se realiza la supervisión de la señal débil para conocer su tendencia en el tiempo y realizar la intervención del mantenimiento en el momento más oportuno, produciendo la situación típica del mantenimiento sobre condición y predictivo. 12

18 No siempre la maquinaria presenta señales débiles moni toreables, para la cual el mix optimo de políticas de mantenimiento deberá ser el resultado de un enfoque dinámico del problema, con retroactividad y mejora continua. El monitoreo puede desarrollarse con distintas modalidades: El operador percibe la señal; El técnico de mantenimiento realiza la observación visual sistemática; Las mediciones u observaciones se realizan con el uso de instrumentos y el diagnostico técnico. El diagnostico técnico es por tanto el instrumento más evolucionado a disposición del mantenimiento para la prevención de las fallas. Las políticas de mantenimiento preventivo con posterioridad a la inspección son dos: Según condición; Predictiva. El mantenimiento según condición es una política basada sobre la detección de un parámetro correlacionado con el deterioro de un componente para el cual es posible establecer un nivel de alarma que cuando es alcanzado que cuando es alcanzado debe activar una intervención de sustitución (por ejemplo: nivel de temperatura o de vibración, valor mínimo de espesor, etc.) El mantenimiento predictivo presupone siempre la capacidad de medir un parámetro en relación con el deterioro de un componente, en cuyo caso es posible, a través de la evaluación de una tendencia y de datos históricos, estimar la vida residual del componente. 13

19 Esto permite realizar la intervención de sustitución en momentos de disponibilidad del equipo o instalación a fin de hacer intervención oportuna y aumentar la vida útil del componente. 14

20 CAPITULO II HERRAMIENTAS DE DIAGNÓSTICO EN LOS EQUIPOS MECÁNICOS ROTATORIOS 15

21 Introducción a las tecnologías de diagnóstico Una correcta política de mantenimiento se basa en inspecciones y diagnostico técnico. Del 40% al 60% del mantenimiento, según las tipologías operativas y con picos del 80% en el sector aeronáutico, se hace, en un proceso de ingeniería, siguiendo las policías de condición o predictivas. La posibilidad efectiva de aplicar estas políticas está relacionada a la disponibilidad de tecnologías de diagnostico. Así como en el campo de las mediciones existe un sistema de tolerancia, para las anomalías de funcionamiento se puede definir un modelo con niveles de anormalidad aceptables, de modo que no comprometan las prestaciones del equipo. Es importante por tanto descubrir las anomalías, para comprarlas con los estándares de aceptación que forman parte de las especificaciones del producto o del equipo, integrado en un proceso productivo específico. Es por esta exigencia que han nacido los sistemas de supervisión y diagnostico no invasivos, es decir, un conjunto de exámenes, pruebas y detecciones que se realizan empleando métodos que no alteran los materiales y que no requieren ni su destrucción, ni el retiro de muestras. Con estas técnicas es posible realizar los controles en ejercicio, siguiendo periódicamente y, en algunos casos, de manera continua el desarrollo de la vida del componente bajo examen, e interviniendo para repararlo o sustituirlo en el momento en que de señales manifiestas de deterioro critico. A continuación se analizan las técnicas más difundidas de control no destructivo, de supervisión y diagnostico no invasivo, describiendo en todos los casos el principio sobre el cual se basan la aplicación, las técnicas de ensayo, los límites, las modalidades de visualización de los defectos y los desarrollos futuros (si se los hubiere previsto). 16

22 Específicamente los argumentos se subdividen de la siguiente forma: Corrientes inducidas; Emisión acústica; Líquidos penetrantes; Magnetoscopia (inspección con partículas magnéticas); Métodos ópticos; Radiografía; Detección de fugas; Termografia Ultrasonido; Análisis de vibraciones; Análisis de aceites lubricantes; Análisis del aceite de transformadores; Austenítico 2.1 Corrientes inducidas Principio del método El campo magnético generado por una bobina alimentada con corriente alterna produce, en la pieza a examinar, corrientes inducidas (llamadas también corrientes parasitas o corrientes de Foucault). Tales corrientes influyen sobre el valor de impedancia en la bobina que la ha generado. La presencia de cualquier discontinuidad modifica la intensidad y el curso de las corrientes inducidas y por tanto la impedancia del circuito, cuya variación indica un posible defecto. 17

23 A menudo se distingue la bobina que genera el campo magnético (primaria) de aquella en la cual se mide la variación de impedancia (secundaria), como en la siguiente figura. Figura 6 Principio del método de las corrientes inducidas Aplicaciones El método de corrientes inducidas es de gran versatilidad, dado que permite todo tipo de aplicaciones que puedan correlacionarse con las variaciones de las características químico-físicas de cualquier conductor. En otras palabras, a través de la bobina de prueba se puede detectar hasta la mas mínima falta de homogeneidad de un material, ya sea que este determinada por variaciones de tipo geométrico, eléctrico o magnético. Por tanto, adaptando el método a cualquier exigencia especifica, se pueden realizar controles para detectar: Falta de homogeneidad asociada a la geometría del material, como fisuras, deformaciones, inclusiones, variaciones de espesor, oxidaciones, etc.; Espesor de materiales no conductores sobre base conductora, o de materiales conductores sobre bases de distinta conductividad; Variaciones asociadas a la conductividad del material, falta de homogeneidad de las aleaciones, recalentamientos localizados, errores de tratamiento térmico, etc.; 18

24 Variaciones asociadas a la permeabilidad del material, a través de la medición de la intensidad de los campos magnéticos. El método de investigación con corrientes inducidas, además de una gran variedad de aplicaciones, ofrece numerosas ventajas,: elevada sensibilidad de examen, gran fiabilidad, rapidez de ejecución, bajo costo de ejecución. El método es una alternativa válida a la inaplicabilidad de la magnetoscopia (partículas magnéticas) para el control de productos de acero inoxidable austenítico. Campo de aplicación del método Tubos de acero (Ferromagnéticos) Tubos de acero INOX austenitico Tubos de cobre (diamagnéticos) (Paramagnéticos) Figura 7 Campo de aplicación del método Resulta además de gran utilidad poder realizar la investigación sin que haya contacto directo entre la sonda y la pieza en prueba, permitiendo el examen de piezas en movimiento. Por ejemplo, en el campo metalúrgico es posible controlar los materiales directamente a la salida de las trefiladoras y laminadoras, a pesar de su elevada velocidad y temperatura. Por la misma razón, y en el campo artístico y arqueológico, no se corre el riesgo de dañar durante los controles las obras de arte u hallazgos. Técnicas de ensayo Las técnicas de ensayo se diferencian en dos aspectos: La aplicación manual o automática del método; 19

25 El tipo de señal producto de defecto, en relación con las diversas características geométricas y eléctricas de las sondas utilizadas. El primer aspecto no necesita particulares explicaciones; el método puede automatizarse toda vez que el tipo de aplicación lo permita. En relación al segundo aspecto existen muchísimas sondas con características notablemente diversas. Se puede de hecho disponer de sondas estáticas o dinámicas, anulares para interiores, para superficies o para orificios, absolutas o diferenciales, con arrollamiento simple o doble, en puente o por reflexión. Cada una de las características mencionadas determina que una sonda sea particularmente más adecuadas para ciertas aplicaciones que otra. Límites Las limitaciones del método están en estrecha relación con las características de los materiales a prueba. El método se puede aplicar solamente sobre los materiales conductores y para localizar discontinuidades superficiales o internas, en profundidades no superiores a mm para materiales de conductividad medio-baja. Esta profundidad disminuye drásticamente para valores de conductividad más elevados y para materiales ferromagneticos, donde como máximo se puede llegar a los 0,10-0,15 mm; La interpretación de los indicadores, a los efectos del reconocimiento del tipo de efecto, es dificultosa; La automatización del método resulta difícil en algunos casos, como cuando el control de los tubos debe llevarse a cabo tanto por dentro como por fuera. 20

26 Visualización del defecto La eventual discontinuidad del material bajo examen puede detectarse mediante dos técnicas diferentes: midiendo las variaciones de corriente en el circuito, asociadas al diferente valor de la impedancia que de tanto en tanto muestra la bobina, u observando las variaciones de amplitud y del ángulo de fase del vector de la impedancia. En el primer caso, se utiliza un simple microamperímetro; en el segundo, es necesario un osciloscopio capaz de visualizar el campo de impedancia de la bobina sobre ruidos producidos por el ambiente. Visulalizaciones de defectos en tubos con equipos automaticos Sondas y palapadores R/D Tech para la inspección de tubos Figura 9 Visualización de defecto en tubos con equipos automáticos Desarrollos Las indiscutibles ventajas que ofrecen las corrientes inducidas como método de control no destructivo han determinado que se las use cada vez más, alentado de esta forma a los constructores de equipamientos a un rápido desarrollo tecnológico. Si bien hoy se puede ya disponer de complejos equipamientos que permiten amplias aplicaciones y gran fiabilidad, es razonable suponer que en un futuro cercano nuevos 21

27 medios de elaboración de señales ampliarán la posibilidad de emplear este método de investigación. 2.2 Emisión acústica Principio del método El principio se basa en la detección de las ondas acústicas emitidas por un material, por deformación, activación y/o evolución de un defecto. Principio del método de la emisión acústica Figura 10 Principio del método de la emisión acústica Aplicaciones Los resultados que se extraen del ensayo basado en la emisión acústica no son del tipo convencional. 22

28 No se debe usar este método para detectar tipo y dimensiones del defecto presente en una estructura, sino para registrar su evolución durante la aplicación de un esfuerzo cuyo nivel de carga es tal que genera deformaciones, aumento de defectos, desprendimiento de escoria, descamado, fricciones, etc. Es posible también detectar algunas transformaciones de fase en un material por emisión acústica. El método puede, por tanto, utilizarse para obtener una información precisa en la supervisión de un componente en funcionamiento. El método encuentra muchas aplicaciones, entre las cuales, a título de ejemplo, se pueden citar: Las primeras pruebas hidráulicas de recipientes sometidos a presión; La supervisión continua, en periodos largos e importantes, de componentes o equipos en funcionamiento; Las pruebas de fatiga de estructuras o componentes en escala reducida o real (nodos de plataformas off-shore, recipientes de presión, etc.); El control de desgaste de las herramientas y el control de los procesos de soldadura; Las características de los materiales heterogéneos (fibras de vidrio, fibras de carbono, columnas de concreto, etc.). Técnicas de ensayo La prueba de emisión acústica permite en general detectar, localizar y en cierta medida clasificar la fuente emisora. Para determinar la ubicación de la fuente emisora es necesario medir la diferencia de tiempos de llegada de la onda elástica generada desde la fuente hacia los diferentes sensores dispuestos sobre la estructura. En general, la posición de la fuente emisora se establece mediante técnicas de triangulación, empleando tres o más sensores. El número de sensores necesarios para tener bajo control toda la estructura depende del volumen y del espesor del componente 23

29 estudiado y de su falta de homogeneidad (por ejemplo, aberturas, cordones de soldadura, etc.). La posibilidad de localizar los defectos en todo su volumen, sin necesidad de mover la sonda, permite tener la estructura bajo control mientras se realiza la prueba incluso en zonas de difícil acceso. Limites La actividad acústica de los efectos depende de la temperatura y del comportamiento dúctil o frágil del material examinado. Los aceros austenìticos presentan, por ejemplo, una baja capacidad de emisión (efecto káiser). Los defectos estables o de baja emisión obviamente no se revelan durante la prueba, sin embargo estos pueden volverse potencialmente peligrosos con el uso del componente a causa de la presencia de esfuerzos como la fatiga, la corrosión, la sobrecarga, etc. Todo esto no autoriza, por tanto, a sustituir los otros ensayos no destructivos por la emisión acústica. Hasta ahora, no se ha estado siempre en condiciones de relacionar las características de la fuente con el tipo y la severidad del defecto emisor. Visualización del defecto La detección de las ondas acústicas se realiza a través de sensores habitualmente piezoeléctricos. Los sensores se ponen convenientemente en contacto con el cuerpo a examinar, sometiéndolo posteriormente a un esfuerzo (mecánico, térmico, etc.). Las señales eléctricas obtenidas son sucesivamente amplificadas y filtradas para eliminar el ruido de fondo, enviadas a un dispositivo para la medición del tamaño característico de las señales acústicas y de los parámetros de la prueba y, por lo último, van a una computadora que elabora los datos recibidos y los representa en forma grafica en video y/o papel. 24

30 Detección de emisiones acústica Figura 11 Detección de emisión acústica Desarrollos Actualmente se están realizando muchos trabajos experimentales y teóricos para mejorar la detección de emisiones acústicas y su relación con el tipo de fuente. Dada la importancia de poder realizar investigaciones más significativas para el diagnóstico y el pronóstico de defectos y para el control de los procesos, se espera poder usar en el futuro cercano los resultados de los estudios que actualmente se están realizando. En todo caso exceptuando ciertos controles de proceso, la técnica de la emisión acústica no sustituye a otros métodos. Solo la aplicación de la emisión acústica junto con otras técnicas complementarias entre sí, una rigurosa y completa correlación entre los resultados y parámetros de la prueba (por ejemplo, valores de carga y de su velocidad de aplicación, numero de ciclos hasta la fatiga, etc.), el conocimiento de la propiedad del material y la historia de los procesos de transformación/elaboración y de los tratamientos sufridos, permitirán clasificar la tipología y el grado de severidad de las eventuales discontinuidades (defectos) que genera la actividad acústica. 2.3 Líquidos penetrantes Principio del método El método se basa en el fenómeno de la capilaridad, o sea la tendencia de un líquido a subir por un tubo capilar, y sobre características físicas de los líquidos, tales como la viscosidad y la tensión superficial. El poder penetrante es una característica muy importante de la cual depende en gran parte la sensibilidad del ensayo. 25

31 Principio del método de líquidos penetrantes (L.P.) Superficie preparada para la prueba Aplicación del penetrante y penetración del mismo Eliminación del exceso del líquido penetrante Aplicación del líquido revelador, filtración del penetrante en el revelador e inspección Figura 12 Principio del método de líquidos penetrantes Aplicación del liquido penetrante y del liquido revelador Figura 13 Aplicación del liquido penetrante y del liquido revelador 26

32 Aplicación y desarrollo El método con líquidos penetrantes sirve para detectar defectos que afloran en superficies de cualquier tipo, con la condición de que sean abiertos. Pueden detectarse defectos en fundiciones como uniones frías y fisuras por contracción, etc., de fabricación como fisuras de templado, soldaduras, roscas, repliegues de laminación, etc., y de trabajo como fisuras por fatiga, tensocorrosión, etc. El método no está vinculado al tipo de material o a su estructura, sin embargo este no debe ser poroso en la superficie, como ciertos materiales cerámicos. Es posible examinar: acero, aluminio, materiales compuestos, fundición, vidrio, etc. Los líquidos penetrantes muestran con exactitud y extrema simplicidad la ubicación del defecto sobre la superficie, pero sus dimensiones usualmente resultan aumentadas con respecto a la realidad. La investigación llevada a cabo por grandes grupos industriales que operan en este sector ha permitido el desarrollo de nuevos productos más sensibles, menos tóxicos y fácilmente biodegradables. El último aspecto es sin duda importante, en cuanto al costo de la disposición, que con leyes cada vez más severas, es uno de los elementos que más inciden en el costo del equipo. Un ejemplo significativo ha sido la introducción de los emulsionantes a base de agua en lugar de los de base oleosa, lo que ha permitido aumentar la sensibilidad de la prueba y, al mismo tiempo, reducir considerablemente los costos de la depuración de los efluentes. 27

33 Técnicas de ensayo Hay varias técnicas de ensayo según el penetrante utilizado, el objeto a controlar y el número de piezas. Cada técnica de ensayo tiene su campo de aplicación particular, aunque las fases principales del método implican siempre: La aplicación del penetrante sobre la superficie a inspeccionar; La remoción del penetrante que sobra; La aplicación del revelador. La ejecución del control puede ser manual, semiautomática o automática. Todos los equipos deben de estar dotados de medios idóneos para la eliminación de los vapores y para el tratamiento de los efluentes. Los productos a utilizar se eligen en función de la rugosidad de la superficie de la pieza y de la sensibilidad del control deseada. Sobre superficies grises, por ejemplo, dan mejores resultados los líquidos penetrantes coloreados de sensibilidad media, mientras que superficies rectificadas, dan mejores resultados aquellos que son fluorescentes o los coloreados de altísima sensibilidad. Límites No detecta discontinuidades apenas perceptibles o cerradas en superficie; Por lo general no se le puede aplicar al examen de superficies excesivamente rugosas o porosas; Se presta a la automatización sólo en lo que respecta a la parte ejecutiva, mientras que la interpretación de los resultados debe hacerla personal calificado; El ensayo se limita normalmente a zonas de fácil acceso; 28

34 el campo de temperatura en el cual es posible el control con productos para empleo normal es de 12 a 56 C (sin embargo productos específicos para altas temperaturas aplicables hasta los 130 C); la sensibilidad del método está condicionada por el grado de terminación de la superficie. Visualización del defecto La visualización se hace directamente sobre la pieza examinada por contraste entre el penetrante y el revelador. Aplicación de líquidos penetrantes en un piñon Figura 14 Aplicación de líquidos penetrantes en un piñón Evidencia de una fisura Figura 15 Evidencia de una fisura 29

35 Aplicación de los líquidos penetrantes sin detectar fisura Figura 16 Aplicación de líquidos penetrantes sin detectar fisuras 2.4 Magnetoscopia (Inspección con Partículas Magnéticas) Principio del método El principio del método se basa en la desviación que sufren las líneas de campo magnético inducido en un material, en presencia de una discontinuidad que no sea paralela a las líneas de flujo de dicho campo magnético. Principio del método magnetoscópico también llamado método con partículas magneticas Figura 17 Principio del método magnetoscópico 30

36 Partículas magnéticas Aplicación y desarrollo El ensayo magnetoscópico, llamado también ensayo con partículas magnéticas, es un método para detectar defectos superficiales y sub-superficiales en materiales ferromagneticos, como fisuras, uniones, inclusiones, replegados, dobleces, falta de penetración en las soldaduras, etc. Casos típicos de aplicaciones del método magnetoscópico son las fundiciones de acero en estructuras de hierro, los forjados, los extrudidos, los estampados, las soldaduras y otros componentes con matriz de hierro. Es importante para la detección de los defectos que estos estén orientados de modo que puedan ser interceptados por las líneas de fuerza del flujo magnético inducido; por tal razón, una misma pieza debe magnetizarse como mínimo en dos direcciones, ortogonales entre sí. El empleo de lectores ópticos ha representado desarrollo para la interpretación automática de los resultados. Técnicas de ensayo La magnetización de las piezas puede realizarse con la técnica del pasaje de corriente magnetizadora, o bien con la técnica de inducción, en cuyo caso la magnetización se induce sobre la pieza a examinar por medio de un campo magnético externo. La aplicación del revelador se hace al mismo tiempo que la magnetización o en tiempo diferido, utilizando el magnetismo residual. 31

37 Aplicación del detector (para control en seco o húmedo) Figura 18 Aplicación del revelador (para control en seco o húmedo) El revelador puede ser polvo para control en seco (dry) o en polvo para control en húmedo (wet). Este último consiste en partículas en suspensión en un líquido como el agua o el aceite en fracciones ligeras. Polvos para control en seco (dry) y en húmedo (wet) Figura 19 polvos para el control en seco (dry) y en húmedo (wet) La técnica del control en húmedo se aplica para la detección de defectos superficiales muy pequeños o sobre superficies lisas, mientras que el control en seco se usa para superficies no trabajadas y donde se requiere una menor sensibilidad. Las partículas pueden pigmentarse con diferentes colores (rojo, amarillo, azul, verde, para actuar por 32

38 contraste) o bien pueden ser fluorescentes, según la necesidad del control y de la sensibilidad. En la magnetización es muy importante el tipo de corriente magnetizadora, que puede ser alterna o continua. La primera permite una mejor detección de los defectos superficiales, mientras que la segunda es mejor con los sub-superficiales. En función de la geometría y de la cantidad de piezas en examen, los equipos utilizados pueden ser: Fijos, del tipo de banco; Móviles o portátiles. Los primeros están destinados a controles en serie de elementos generalmente de pequeñas dimensiones; los segundos a controles en el lugar o sobre grandes componentes del taller. Bobina de magnetización Figura 20 Bobina de magnetización 33

39 Kit de control con yugo de magnetización Figura 21 Kit de control con yugo de magnetización Inspección subacuática con partículas magnéticas de soldadura de una estructura Figura 22 Inspección subacuática con partículas magnéticas de soldadura de una estructura 34

40 Límites Los límites de los ensayos magnetoscópico son: Aplicabilidad solo a materiales ferromagnéticos; Escasa sensibilidad para defectos de forma redondeada; Se presta bien a la automatización sólo en lo que respecta en la parte ejecutiva, mientras que la interpretación de los resultados debe ser hecha por personal calificado; Para la interpretación de los resultados, si bien existen especificaciones y tablas con estándares fotográficos, siempre presentan un cierto margen de subjetividad; El examen se limita normalmente a zonas de fácil acceso. Los rangos de temperatura en los cuales es posible el control, llegan hasta los 50 C con reveladores húmedos y hasta 300 C con reveladores en seco. Visualización del defecto La visualización puede realizarse de dos formas: Directamente sobre la pieza, mediante las pequeñas partículas magnéticas que, dispersa sobre la parte magnetizada, evidencian el flujo magnético desviado por la discontinuidad; Mediante sondas que individualizan el flujo disperso, transformándolo en una señal eléctrica. 35

41 2.5 Métodos ópticos Principio del método El principio se basa en el empleo de la luz como medio revelador de los defectos. Actualizando la dirección, la amplitud y la fase de la luz difundida o reflejada por la superficie de un objeto opaco, o transmitida al interior de un medio transparente, se puede obtener información sobre el estado físico del objeto bajo examen. Aplicaciones Con el término de medios ópticos se indicaban, hasta hace poco tiempo atrás, todas aquellas técnicas que permitían la observación directa de superficies, aunque estuviesen colocadas en áreas remotas o inaccesibles y que por tanto estaban limitadas, por definición, a la búsqueda de defectos superficiales. En los últimos tiempos, no obstante, la definición se ha extendido hasta abarcar todas las técnicas, incluso las muy complejas, basadas en la detección de las interacciones entre materiales y la luz visible. Los métodos más avanzados permiten la detección incluso de defectos internos en los materiales. Los métodos ópticos permiten detectar un numero vastísimo de defectos como fisuras, corrosiones, alteración de colores debido a recalentamiento, erosiones, deformaciones, irregularidades de la terminación superficial, errores de montaje de los sistemas mecánicos, variaciones dimensionales, etc. Técnicas más complejas, tales como la interferometría holográfica, permiten ampliar los campos de investigación y obtener mayores informaciones respecto a los métodos ópticos tradicionales. La interferometría holográfica, en particular, es una técnica de medición sin contacto y extremadamente sensible. Permite detectar incluso los defectos internos en estructuras compuesta (desprendimientos, daños por impacto, etc.) en cubiertas de neumáticos 36

42 tanto nuevas como recauchadas (separaciones, burbujas, cavidades, etc.) y en propelentes sólidos (falta de homogeneidad, separaciones, etc.). La técnica se emplea también para estudios de fenómenos dinámicos, para el análisis de esfuerzos en los materiales y para el diseño en el proyecto de partes, componentes y estructuras. Técnicas de ensayo tradicionales En todos los casos en los cuales la superficie a examinar es fácilmente accesible, el examen se realiza a simple vista, con la ayuda de una lente de aumento, o bien con telecámaras. En este caso incluso es posible conducir exámenes muy sofisticados con técnicas de elaboración de imágenes. Las superficies inaccesibles pueden inspeccionarse visualmente con endoscopios de fibra óptica, rígidos o flexibles, que permiten acceder incluso al interior de partes geométricamente complejas. Los más recientes consisten en telecámaras, de un diámetro de 6-8mm, que se introducen y guían al interior de la cavidad que se desea examinar. Endoscopio Figura 23 Endoscopio 37

43 Técnicas de ensayo Las técnicas avanzadas fundamentales son esencialmente dos: La interferometría holográfica en exposición doble; La interferometría en tiempo real. La técnica de exposición doble consiste en recoger sobre la misma placa holográfica, dos exposiciones sucesivas de la muestra bajo examen, en diferentes condiciones de esfuerzo. En la reconstrucción de la imagen, obtenida iluminando la placa con la luz láser, las dos imágenes virtuales se interfieren entre sí formando franjas de interferencias claras y oscuras que presentan las líneas de nivel de puntos equidistantes. Con esta técnica, las franjas resultan congeladas en el holograma y pueden reconstruirse por medio de una computadora en cualquier momento. La técnica en tiempo real consiste en hacer interferir la imagen holográfica con aquella de la muestra en deformación, mientras se encuentra todavía en su lugar. Con esta técnica se puede seguir la tendencia de las franjas de interferencia en tiempo real. La magnitud de los microdespalzamientos que sufre la muestra puede evaluarse contando el numero de franjas presentes en el holograma. Límites Al prescindir de los métodos holográficos, que por otra parte están por ahora poco difundidos, el limite principal de los métodos ópticos consiste en la posibilidad de detectar solamente defectos que aparecen en la superficie, además, la interpretación de la señal es subjetiva. Sobre superficies especulares, no se puede utilizar ninguna de las técnicas que se usan haces de luz rasantes a la superficie para detectar, a través del fenómeno de la difusión, la presencia de defectos. 38

44 El control de partes de grandes dimensiones crea problemas para la puesta a punto de las técnicas interferométricas, a causa de la mayor la superficie a iluminar y a los pequeños movimientos que pueden comprometer las mediciones. Visualización del defecto Con los métodos tradicionales, el defecto se observa simplemente tal como aparece sobre la superficie examinada o moderadamente amplificado. Con los métodos más avanzados, tales como la holografía interferométrica o el análisis de imágenes, la imagen del defecto, después de elaborarse en la computadora, se reconstruye sobre el monitor en forma de franjas de interferencias. Desarrollos La adopción de microcámaras conectadas a una computadora personal para la elaboración de imágenes ha aumentado notablemente el alcance de los endoscopios (hasta 30 metros), permitiendo el examen de cavidades muy profundas. En el campo de la interferometría holográfica, recientemente se han estudiado y desarrollado sistemas de visión que permiten reconocer e inspeccionar en tiempo real incluso objetos complejos. La puesta a punto de sistemas de comparación electrónica de hologramas por medio de telecámaras, en reemplazo de la comparación por superposición fotográfica, ha permitido el desarrollo de interesantes variantes en la técnica holográfica conocidas con el acrónimo de ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) que encuentra la aplicación en el análisis de las vibraciones de los componentes industriales. 39

45 2.6 Radiografía Principio del método El principio se basa en la variación de la atenuación que las radiaciones electromagnéticas, en este caso los rayos X y los rayos γ, sufren cuando encuentran un defecto en su curso a través del material. Principio de la radiografía industrial Figura 24 Principio de la radiografía industrial Aplicación y desarrollo El método radiográfico es uno de los primeros métodos de ensayo no destructivo que fue introducido en la industria para la detección de defectos internos. El campo de la aplicación de la radiografía es muy vasto. Incluye el control de las soldaduras, fundiciones, productos estampados, forjados, materiales compuestos, materias plásticas, componentes de construcciones civiles, etc. A la radiografía de objetos estáticos se le une la de procesos dinámicos, como la trayectoria de un proyectil a lo largo del cañón, el curso de un metal liquido durante la 40

46 colada, la combustión del carburante en el interior de un misil, el estudio de un proceso de soldadura, etc. El progreso tecnológico ha traído grandes innovaciones en las técnicas de ensayo con el método radiográfico. Entre las más significativas figuran: El uso de intensificadores de brillo y de tubos de reproducción, ha hecho posibles en los equipos de radioscopia la transferencia de la imagen radiográfica de la pantalla fluorescente al monitor, con una notable mejora de la sensibilidad. La digitalización de la imagen radiográfica, para la transferencia de la radiografía a la computadora, permite una elaboración de aquella con la consiguiente mejora del contraste y la definición. Es posible además, la memorización de una gran cantidad de radiografías, lo que facilita el archivo y la consulta. La técnica microfocus, utilizando equipos con dimensiones del foco radiográfico del orden de centésimas de milímetro, puede realizar aumentos del objeto radiografiado; La tomografía computada está en condiciones de representar la sección radiográfica de la pieza. Técnicas de ensayo Son numerosas las técnicas de ensayo por el método radiográfico. La elección depende de numerosos factores, entre los cuales los principales son: el tipo de material (madera, acero, aluminio, materiales plásticos, compuestos, hormigón, etc.) y su forma, el lugar donde se debe llevar el control, la temperatura de la pieza, la sensibilidad requerida y el espesor al examinar. 41

47 Los equipos radiógenos de energía media y baja, son del tipo compacto, fácilmente transportable; para altas energías se emplean aceleradores lineales que son en general instalaciones fijas ubicadas en un bunker. Otras fuentes de radiación muy usadas para realizar los controles radiográficos, son los isótopos radioactivos que emiten rayos gamma. Los isótopos más utilizados son el Cobalto 60 y el Iridio 192. La emisión es isométrica, es decir que se produce en todas direcciones. No necesitan ninguna alimentación eléctrica y se usan mucho para la realización de gammagrafías en los montajes industriales. Los parámetros en los que puede variar en las diferentes condiciones de de exposición son numerosos; entre ellos, los más importantes son: La energía de la radiación, de la cual depende el poder de penetración de la misma; El tipo de película, de la cual depende la definición de la imagen; Las pantallas reforzadoras que adheridas a la película filtran las radiaciones difusas e intensifican la imagen latente sobre ella; La distancia foco-película, de la cual depende la penumbra geométrica de la imagen. La elección de estos factores es determinante para el buen resultado del ensayo. Limites El máximo espesor radiografiable del acero es del orden de los mm, empleando aceleradores lineales, de alta energía; con equipos compactos tales espesores bajan a mm. 42

48 En radioscopia (visualización en pantalla), los espesores a examinar se reducen a: mm para el acero y 50 mm para las aleaciones ligeras. Los defectos bidimensionales como las fisuras pueden no detectarse si su orientación respecto del eje del cono está inclinada. El uso bajo cualquier circunstancia de fuentes de radiación ionizante requiere el respeto de las leyes aplicables en materia de radio protección, con el consiguiente y obvio aumento de los costos de control. Visualización del defecto La visualización del defecto puede darse en la película radiográfica, en la pantalla fluorescente o sobre el monitor. Imagen radiográfica de una unión soldada; se notan las grietas Figura 25 Imagen radiográfica de una unión soldada; se notan las grietas 2.7 Detección de fugas Principio del método Cuando en una pared que separa dos ambientes de distinta presión existe una discontinuidad, el fluido contenido en el ambiente a mayor presión pasa a aquel que esta a menor presión, con alcance variable según la velocidad. En ciertos casos, la 43