UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANANTO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

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1 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANANTO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES Evaluación de la integridad mecánica de tuberías y probetas soldadas de acero mediante ultrasonido. Realizado por: Daniel A. Rosales G. INFORME FINAL DE CURSOS EN COOPERACIÓN Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales Opción Metalmecánica Sartenejas, Febrero de 2008

2 UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR DECANANTO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES Evaluación de la integridad mecánica de tuberías y probetas soldadas de acero mediante ultrasonido. Realizado por: Daniel A. Rosales G. Bajo la tutoría de: Prof. Edda Rodríguez Prato Ing. Luis Ganhao Birriendo Aprobado por el siguiente jurado: Prof. Minerva Dorta Sartenejas, Febrero de 2008

3 Evaluación de la integridad mecánica de tuberías y probetas soldadas de acero mediante ultrasonido. Realizado Por: Daniel A. Rosales G. RESUMEN El trabajo tiene como objetivo establecer los parámetros para evaluar la integridad mecánica de secciones de tubería de acero y cordones de soldadura en planchas de acero de veinticinco milímetros (una pulgada) de espesor a través de técnicas avanzadas de ultrasonido. En el estudio se debe determinar las condiciones de calibración apropiadas para el mapeo de corrosión y erosión de las secciones de tubería utilizando el programa µmap. Así como, determinar el arreglo TANDEM adecuado basado en resolución y sensibilidad para la inspección de las planchas soldaduras de acero mediante la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD). Para el mapeo de corrosión se empleo un palpador de haz normal de 4 MHz y un sistema de seguimiento posicional compuesto por un diodo y una cámara de video que permitió medir los espesores de las tres secciones de tuberías ensayadas, y buscando imágenes C scan lo más representativa posibles. Mientras que en TOFD se emplearon arreglos TANDEM utilizando palpadores de 2, 5, 10 y 15 MHz con diámetros de 6 y 12 mm; y zapatas de 45, 60 y 70 grados de ángulo de refracción del haz para obtener las imágenes B scan de las 4 probetas soldadas identificadas como PL1409, PL1410, PL1411 y PL1412. Del estudio con las técnicas ultrasónicas se obtuvieron imágenes C scan representativas de la morfología correspondiente a cada tubería inspeccionada, junto con mediciones de los espesores críticos de las tuberías. De los ensayos con TOFD se determinó que el arreglo TANDEM adecuado corresponde a palpadores de 5 MHz y 6 mm de diámetro, con zapatas de 60 de ángulo de refracción. Las imágenes B scan obtenidas con este arreglo TANDEM presentaron la mejor resolución y sensibilidad en la detección de discontinuidades en todo el espesor (25 mm) de las 4 probetas planas soldadas.

4 INDICE GENERAL INDICE DE FIGURAS vii INDICE DE TABLAS ix LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS x I. INTRODUCCIÓN 1 II. OBJETIVOS General Específicos Mapeo de corrosión y erosión mediante µmap Técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada a través de µtofd. 3 III. MARCO TEÓRICO La soldadura Discontinuidades en las soldaduras Porosidades Escoria Falta de fusión Falta de penetración Socavación Grietas Ensayos no destructivos Ultrasonido Factores que afectan la inspección ultrasónica Parámetros de la onda ultrasónica Impedancia acústica Presión acústica Fenómenos de atenuación Dispersión Absorción Ley de atenuación. 14 iv

5 3.5. Modos o tipos de ondas acústicas Ondas longitudinales Ondas transversales Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites Incidencia normal Incidencia angular u oblicua Leyes de reflexión y refracción Modos de conversión El campo ultrasónico de un oscilador Zona muerta del palpador Zona del campo cercano Zona del campo lejano Divergencia del haz Factores que influyen en la transmisión de los ultrasonidos a través de la superficie de exploración de la muestra Medio de acoplamiento Condición superficial Acabado superficial Efecto de la curvatura superficial Calibración del sistema ultrasónico Bloques normalizados de referencia Palpadores Resolución Sensibilidad Técnicas de inspección ultrasónica Mapeo de corrosión y erosión Tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD: time of flight diffraction) 29 IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Descripción de las probetas Mapeo de corrosión y erosión a través de µmap Montaje e instalación de equipos. 36 v

6 Calibración en distancia Configuración y prueba de la cámara Proceso de adquisición de datos Técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada a través de µtofd Montaje e instalación de equipos Configuración de parámetros de A Scan Proceso de adquisición de datos. 44 V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Mapeo de corrosión y erosión Inspección de tuberías desde la superficie convexa o cara externa Inspección de tubería desde la superficie cóncava o cara interna Inspección de cordón de soldadura con discontinuidades Imágenes en tres dimensiones (3D) Evaluación con TOFD Influencia del ángulo de refracción del haz debido a las zapatas Adecuada distancia entre los palpadores Distancia entre los palpadores superior a la recomendada Influencia de la frecuencia de los palpadores Influencia del diámetro de los palpadores Promedio de A Scan y ruido de la señal. 68 VI. CONCLUSIONES 71 VII. RECOMENDACIONES 73 VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 74 ANEXO A. Piezas y patrones inspeccionados. 76 ANEXO B. Material de apoyo para la técnica TOFD. 79 APÉNDICE I. Determinación del perímetro de tuberías de diámetro desconocido. 80 vi

7 INDICE DE FIGURAS Figura 3.1. Diagrama de la transmisión y reflexión del haz con incidencia normal. 16 Figura 3.2. Diagrama de la transmisión y reflexión del haz con incidencia oblicua. 17 Figura 3.3. Modos de conversión del haz con incidencia oblicua sobre una interfase. 19 Figura 3.4. Esquema del haz generado por un oscilador ultrasónico. 19 Figura 3.5. Curva de presión máxima en función del camino sónico. 21 Figura 3.6. Efectos de las superficies de inspección curvadas. 24 Figura 3.7. Bloque de referencia I.I.W. V Figura 3.8. Esquema del haz del palpador emisor receptor o E R. 26 Figura 3.9. Medición de espesores basado en la reflexión del ultrasonido. 28 Figura Montaje esquemático de la técnica de TOFD. 29 Figura Imagen típica B scan de inspección por TOFD con una presentación A Scan. 31 Figura Zonas en significativas en TOFD. 32 Figura Detección para las longitudes de onda de λ 1 y λ 2, siendo λ 1 > λ Figura Difracción producida por la interacción de la onda y las discontinuidades. 33 Figura Gráficos del campo cercano y divergencia en función de la frecuencia. 34 Figura 4.1. Diagrama del procedimiento experimental utilizado. 35 Figura 4.2. Montaje y sistema de coordenadas utilizado para mapeo de corrosión y erosión. 37 Figura 4.3. Montaje utilizado para la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada. 42 Figura 4.4. Configuración de la ventana sobre la onda A Scan. 44 Figura 5.1. Fotografía y C Scan del mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº Figura 5.2. Fotografía y C Scan del mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº Figura 5.3. Fotografía y C Scan del mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº Figura 5.4. Fotografía y C Scan del mapeo para la probeta plana con soldadura PL Figura 5.5. Imágenes 3D del mapeo de corrosión y erosión sobre tuberías y la probeta plana. 53 Figura 5.6. Cobertura del haz e imágenes B Scan para los ángulos de 45, 60 y 70⁰. 55 Figura 5.7. Imágenes B Scan para zapatas con ángulos de 45, 60 y 70 grados. 57 Figura 5.8. Imágenes B Scan obtenidas para una separación entre los palpadores de 54 mm. 59 Figura 5.9. A Scan y bandas del B Scan para las frecuencias utilizadas. 61 vii

8 Figura Esquemas de cobertura del haz para palpadores de 2 y 5 MHz de frecuencia. 63 Figura Imágenes B Scan de la técnica de TOFD para palpadores de 2 y 5 MHz. 64 Figura Cobertura del haz ultrasónico con palpadores de 6 y 12 mm de diámetro. 66 Figura Imágenes B Scan de TOFD obtenidas con palpadores de 6 y 12 mm. 67 Figura Imágenes B scan obtenidas para un promedio de señal de 16 y 128 frames. 69 Figura A.1. Tubería N 1 expuesta a procesos corrosivos en su interior. 76 Figura A.2. Tubería N 2 de gran diámetro expuesta a procesos corrosivos en su exterior. 76 Figura A.3. Tubería N 3 de alto espesor expuesta a procesos corrosivos en su interior. 77 Figura A.4. Sistemas coordenados utilizados en las tuberías N 1 y 2 para su inspección. 77 Figura A.5. Superficies de barrido de las probetas soldadas inspeccionadas mediante TOFD. 78 Figura A.6. Superficies internas de las probetas soldaduras inspeccionadas mediante TOFD. 78 Figura B.1. Imagen B scan por TOFD con una separación de palpadores muy amplia. 79 Figura I.1. Determinación geométrica del diámetro del arco de la tubería. 80 viii

9 INDICE DE TABLAS Tabla 3.1. Características de las ondas ultrasónicas. 15 Tabla 4.1. Descripción de probetas seleccionadas para la inspección por ultrasonido. 36 Tabla 4.2. Parámetros utilizados en la corrección de curvatura de las secciones de tuberías. 41 Tabla 4.3. Separación entre palpadores para cada ángulo de refracción utilizado. 43 Tabla 4.4. Ancho de pulso y filtros configurados para cada frecuencia utilizada. 43 Tabla 5.1. Separación entre palpadores para cada ángulo de refracción ensayado. 54 Tabla 5.2. Campo cercano y divergencia para las frecuencias y diámetros ensayados. 62 Tabla B.1. Parámetros de los palpadores para TOFD para espesor entre 75 y 300 mm. 79 ix

10 LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS TANDEM TOFD A-Scan B-Scan C-Scan λ f C D Z N θ HC HL CVC OL BW C L Tx Rx α t S MHz µmap µtofd PL14XX Arreglo de palpadores utilizados para inspección volumétrica. Time of flight diffraction Presentación por pulsos. Presentación bidimensional. Presentación planar. Longitud de onda Frecuencia. Velocidad del ultrasonido en un material. Diámetro de palpador. Impedancia acústica. Longitud del campo cercano. Ángulo de divergencia. Distancia entre la superficie de inspección y la cámara. Distancia entre el diodo y la cámara. Distancia de la orientación horizontal que visualiza la cámara. Onda longitudinal. Eco de fondo (Back wall). Línea central del cordón de soldadura (center line). Transductor emisor. Transductor receptor. Ángulo de refracción del haz sobre el material. Espesor del material o pieza. Separación entre los palpadores dentro del arreglo. Megahercios. Programa utilizado para el mapeo de corrosión. Programa utilizado para la aplicación de Time of flight diffraction. Es la nomenclatura del fabricante de las probetas planas. x

11 1 I. INTRODUCCIÓN. En la fabricación de recipientes que serán sometidos a presión, el uso de los procesos de soldadura es altamente extendido para la elaboración de las uniones entre las piezas constituyentes. Estas uniones o cordones de soldadura pueden presentar una diversidad de discontinuidades generadas durante la fabricación producto de las condiciones de trabajo, el uso de la técnica y la capacidad del soldador. Además, una vez en funcionamiento los recipientes a presión pueden generar discontinuidades consecuencia de las cargas contantes o cíclicas aplicadas al equipo, las altas temperaturas, las atmósferas corrosivas o cualquier otro factor proveniente del servicio. La detección de estas discontinuidades se hace a fin de evitar no solo gastos materiales, sino con la convicción prioritaria de proteger el capital humano de los daños de una falla catastrófica del recipiente. Los ensayos no destructivos reúnen la posibilidad de inspeccionar los recipientes sin dañarlos y asegurando la integridad mecánica del mismo, especialmente las técnicas de ultrasonido que permiten la detección, caracterización y dimensionamiento de discontinuidades generadas, tanto en los procesos de fabricación como en servicio. Por otro lado, las tuberías empleadas en la industria petrolera están en contacto con fuertes agentes corrosivos a lo largo de todo el proceso de producción. El control y adecuado mantenimiento de las tuberías es el factor más importante para evitar fallas catastróficas en el transporte de crudo y sus derivados. Igualmente, la inspección ultrasónica se presentan como una alternativa para el monitoreo de la corrosión en tuberías mediante la técnica de medición de espesor denominada mapeo de corrosión y erosión. El mapeo de corrosión y TOFD se utilizan como técnicas avanzadas de ultrasonido en la detección de discontinuidades y control de degradación. En la actualidad, estas técnicas de ultrasonido avanzadas están reemplazando a técnicas ionizantes como los rayos X debido a su bajo costo y con el impulso de nuevas normativas y códigos internacionales. En definitiva, la técnica de TOFD representa un gran salto cualitativo en el empleo del ultrasonido con mayor

12 2 detección de discontinuidades que las técnicas convencionales. En el mercado están apareciendo múltiples equipos de inspección basados en la misma tecnología, que manejan de señales digitales obtenidas a través de pulsos ultrasónicos. El desarrollo de estos equipos está impulsado a optimizar las imágenes resultantes a través de mejoras en los componentes y dispositivos de inspección, así como, nuevos tratamientos de las señales digitales obtenidas. [1] En la actualidad el empleo de estas técnicas ultrasónicas avanzadas es cada vez más extendido dentro de la industria petrolera, conviviendo con diferentes técnicas de manera complementaria. La detección por partículas magnéticas y Phase Array han sido comparadas con la técnica de TOFD, donde esta última ha revelado la mejor resolución en profundidad en la detección de grietas por fatiga. Así mismo, la técnica de TOFD presentó los mayores niveles de precisión en la medición de la longitud y altura de dichas grietas. [2] En este sentido, se quiere revelar el comportamiento de las técnicas ultrasónicas en la inspección de probetas relacionadas con la industria petrolera. Para ello, se plantea establecer los parámetros del ensayo ultrasónico necesarios para evaluar la integridad mecánica de secciones de tuberías provenientes de la industria petrolera y de probetas soldadas con discontinuidades. La inspección mediante el mapeo de corrosión y erosión basado en la medición de espesores con seguimiento posicional se realiza a tres secciones provenientes de diferentes tuberías que fueron sometidas a procesos de degradación corrosivos y de erosión. Así como, la detección de las discontinuidades presentes en una probeta plana soldada. Por otra parte, se determinan los arreglos TANDEM adecuados para una mayor resolución y sensibilidad en las imágenes obtenidas a través de la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD), en la inspección y evaluación de la integridad mecánica de cuatro probetas planas soldadas. Dichas soldaduras presentan discontinuidades conocidas similares a las que se generan en la fabricación y servicio de los recipientes a presión.

13 3 II. OBJETIVOS General. Establecer los parámetros para evaluar la integridad mecánica de secciones de tubería acero y cordones de soldadura en planchas de acero de veinticinco milímetros (una pulgada) de espesor a través de técnicas de ultrasonido. Para ello se determinarán las condiciones de calibración y funcionalidad de la técnica de mapeo de corrosión y erosión utilizando el programa µmap. Así como, determinar el arreglo TANDEM adecuado para mayor resolución y sensibilidad posible en la inspección de soldaduras mediante la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD) en piezas acero de 25 mm (1") de espesor Específicos Mapeo de corrosión y erosión mediante µmap. Mapeo de corrosión y erosión de las secciones de tuberías afectadas por procesos de degradación. Uso de correcciones de curvatura en imágenes B scan de secciones de tuberías con superficies de inspección convexas. Mapeo de discontinuidades presentes en cordones de soldaduras sobre planchas soldadas. Presentación de imágenes con formato 3 D Técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada a través de µtofd. Obtención de imágenes B scan adecuadas para cordones de soldadura con discontinuidades presentes.

14 4 Evaluación de la frecuencia, diámetro de los palpadores y ángulo de refracción de las zapatas utilizados en el arreglo TANDEM de la técnica. Estudiar los efectos de la separación entre los palpadores en las imágenes B scan. Influencia de variación en el promedio de A scans de la señal (Averaging) en la resolución y sensibilidad de los resultados.

15 5 III. MARCO TEÓRICO La soldadura. De acuerdo con la Asociación Americana de Soldaduras (AWS sus siglas en ingles), una soldadura es una coalescencia localizada de metales o no metales producida tanto por calentamiento de los metales a la temperatura de soldadura o por la aplicación de presión, o ambos inclusive. Estas soldaduras se utilizan para fabricar la mayoría de los equipos y estructuras disponibles en la industria, así que una falla en estas uniones provocaría accidentes que pueden acarrear pérdidas económicas y humanas. Por esto, la tarea de evaluación de las soldaduras debe ser muy exhaustiva y cuidadosa por parte del inspector, buscando irregularidades presentes en las uniones soldadas. [3] Discontinuidades en las soldaduras. En general, las irregularidades presentes en los cordones de soldadura se les conocen como discontinuidades, son descritas como una interrupción en la naturaleza uniforme de un material, pieza o estructura. Adicionalmente, el defecto es una discontinuidad específica que puede comprometer el comportamiento de la estructura para el propósito que fue diseñada. El defecto será una discontinuidad de un tipo definido, que resulta inapropiada para el normal uso o normal de una pieza o equipo, basándose en el criterio o código correspondiente. [3,4] Algunas de las discontinuidades más significativas para los cordones de soldadura se mencionan a continuación.

16 Porosidades. Es una discontinuidad en formas de cavidad, esférica o alargada, que son causadas por gases que quedan ocluidos en el metal fundido durante el proceso de soldadura. Normalmente, son provocados por la presencia de contaminantes o humedad en la zona de soldadura que se descomponen debido a la presencia del calor. Esta contaminación o humedad puede provenir del electrodo, del metal base, del gas de protección o de la atmósfera circundante. Los tipos de porosidades son designados por la cantidad y distribución en la soldadura, de donde destacan las porosidades uniformemente esparcidas, agrupadas y lineales. Aunque los poros pueden ser considerados la discontinuidad menos dañina en algunos casos, para soldaduras en tanques o recipientes a presión es diferente, pues debe considerarse entre las más dañinas debido a la posibilidad de generar una zona de debilitamiento. [4] Escoria. Las discontinuidades producto de escoria atrapada pueden suceder en procesos de soldadura donde se utiliza la escoria como método de protección del arco o del material de soldadura. Causado principalmente por manipulación incorrecta del electrodo, inapropiado uso de la técnica de soldadura o remoción incompleta de la escoria entre pases anteriores. La escoria atrapada puede ubicarse cercana a la superficie del cordón, en el pase de raíz, entre dos diferentes pases o entre la soldadura y la pared del bisel. Generalmente, tiene una orientación en la dirección de la soldadura. [4] Falta de fusión. Se produce cuando no ocurre la fusión entre el metal de la soldadura y las paredes de la junta o los cordones adyacentes. Con frecuencia, la falta de fusión tiene inclusiones de escoria asociadas a ella que evitan la fusión de la soldadura.

17 7 La falta de fusión puede resultar de diferentes condiciones, pero la causa más común se atribuye a la manipulación inapropiada del electrodo por el soldador. La configuración de la junta también puede limitar la cantidad de fusión que se puede alcanzar, por ejemplo, en un bisel con un ángulo insuficiente para el diámetro de los electrodos empleados. Adicionalmente, la contaminación externa puede dificultar la completa fusión debido a la presencia de escoria, capas de óxido, entre otras. [4] Falta de penetración. Es una discontinuidad asociada solamente con la soldadura con bisel. Es una condición donde el metal de la soldadura no se extiende completamente a través del espesor de la junta. Su ubicación es siempre adyacente a la raíz de la soldadura. La falta de penetración puede ser provocada por uso inadecuado de la técnica, configuración de junta inadecuada o una contaminación excesiva en el área de la soldadura. [4] Socavación. Es una discontinuidad superficial que sucede en el metal base adyacente a la soldadura. Durante el proceso de soldadura el metal base se funde y es necesario suficiente material de aporte para llenar la depresión. Si no es cubierto adecuadamente, el resultado es un agujero alargado en el metal base que puede tener una configuración relativamente filosa. La socavación es normalmente el resultado de una técnica inadecuada, relacionada a una excesiva velocidad de soldadura, un calor muy intenso en el proceso o manipulación incorrecta del electrodo. [4] Grietas. Esta es considerada la discontinuidad más crítica debido a su linealidad de extremos filosos tienen tendencia a crecer o propagarse si se le aplica alguna tensión. Su origen se debe a estados de sobre carga que pueden surgir en la soldadura o cuando la carga es aplicada sobre el

18 8 componente. En muchos casos la carga puede no ser excesiva para la capacidad del componente, pero la presencia de entallas como concentradores de esfuerzos puede causar que las tensiones localizadas excedan la resistencia a la tracción del material, ocasionando así una grieta. Esto explica algunas grietas asociadas a discontinuidades superficiales y subsuperficiales resultado del proceso de soldadura que proveen una concentración de tensiones al material. Las grietas pueden ser representadas por su dirección con respecto al eje de longitudinal de soldadura. Destacan las grietas longitudinales, que están orientadas en la misma dirección que el cordón y pueden originarse por contracciones transversales asociadas a las condiciones de servicio, y las grietas transversales, que son perpendiculares a la soldadura y pueden ocasionarse con esfuerzos longitudinales y pueden propagarse al material base. Muchos factores pueden ocasionar grietas en los cordones de soldadura tanto en frío como en caliente, refiriéndose a la temperatura a la que se produce la grieta. La propagación de las fisuras en caliente es intergranular resultado de calentamientos breves o contracciones planares localizadas, o pueden ser separaciones transgranulares producidas por esfuerzos superiores al límite de tracción del material. Las grietas en frío resultan de las condiciones de servicio y resultan de diversos mecanismos de carga, en las que también se incluyen las figuras que ocurren por hidrógeno atrapado. [4] 3.2. Ensayos no destructivos. Los ensayos no destructivos, reúnen un conjunto de métodos que permiten examinar o inspeccionar una pieza, material o equipo sin perjudicar su utilidad. Mediante fenómenos físicos como ondas electromagnéticas, acústica, capilaridad, emisión de partículas u otros, se obtiene información sobre las propiedades, estructuras y condiciones de un material o componente, sin modificar su capacidad de servicio. [5] El inspector, persona calificada para la realización y supervisión de los ensayos, será la figura encargada de determinar la calidad del material o equipo inspeccionado de acuerdo con la normativa correspondiente. Para ello se debe cumplir tres objetivos esenciales del ensayo:

19 9 La detección de las discontinuidades sin destruir el material o equipo inspeccionado. La evaluación que permitirá determinar la ubicación, orientación, forma, tamaño y tipo de discontinuidades presentes. La calificación de la calidad del equipo o material basado en el estudio de los resultados obtenidos de acuerdo a las normas vigentes y requerimientos del diseño. [6] A partir de 1920 se desarrolla la evaluación de materiales mediante técnicas no destructivas como una herramienta indispensable para la producción. Para los años 40 el uso de rayos X y ultrasonido estaba extendido tanto en la medicina como en la industria de manera muy relacionada, tanto que muchos miembros de la Society for Industrial Radiography (actualmente American Society for Nondestructive Testing) eran médicos radiólogos profesionales. Finalmente, el término de ensayos no destructivos se utiliza para las técnicas que nos permiten conocer la integridad del material inspeccionado dentro de la industria. Actualmente, los fabricantes utilizan los ensayos no destructivos como herramientas para: Asegurar la integridad del producto. Evitar la presencia de fallas que puedan producir accidentes que pongan en riesgo vidas humanas. Beneficio del usuario. Satisfacer al consumidor y mantener la reputación de los fabricantes. Obtener el mejor diseño de un producto. Controlar los procesos de manufactura. Disminuir los costos de fabricación. Conservar los estándares de calidad. Mantener la operatividad de la planta. Muchos son los ensayos no destructivos disponibles en la actualidad, entre los que destacan, radiografía, líquidos penetrantes, partículas magnéticas, corrientes de Eddy, emisión acústica, entre otros. Pero el que destaca con mayor grado de aceptación son los ensayos con ultrasonido. [5]

20 Ultrasonido. Son ondas acústicas de naturaleza idéntica a las ondas sónicas, diferenciándose en que éstas poseen un campo de frecuencias que se encuentra por encima de la zona audible. Debido a los fenómenos asociados a su propagación, se han desarrollado sistemas de generación de vibraciones ultrasónicas para numerosas aplicaciones científicas y técnicas. Una de las técnicas más importantes y que destaca en este trabajo es la transmisión de pulsos de ultrasonido para determinar heterogeneidades y medición de espesores en los materiales. En la aplicación de la técnica se requiere una marcada direccionalidad del haz (que permite localizar mejor las heterogeneidades) y un alto poder resolutor (habilidad que permite detectar heterogeneidades muy pequeñas y cercanas entre sí). [7,8] 3.4. Factores que afectan la inspección ultrasónica Parámetros de la onda ultrasónica. Entre los parámetros que definen el comportamiento de la onda ultrasónica están: Período (T): es el tiempo que toma una partícula un realizar un ciclo completo. Frecuencia (f): corresponde al número de oscilaciones por segundo de una partícula. En una misma onda todas las partículas disponen de la misma frecuencia, igual a la del generador. La frecuencia es inversamente proporcional al periodo. Amplitud (A): es el máximo desplazamiento que realiza una partícula partiendo desde su posición cero. Longitud de onda (λ): corresponde a la distancia entre dos planos en los que las partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento. La longitud de onda se relaciona al período, de manera que surge la expresión de la Ecuación 3.1. C λ = Ecuación 3.1 [5] f Siendo λ la longitud de onda, f la frecuencia y C es la velocidad acústica.

21 11 Velocidad acústica (C): es la distancia recorrida por las ondas en un medio por unidad de tiempo, es decir, es la velocidad en que se propaga las ondas de sonido en el medio. Esta velocidad es característica de cada material y, generalmente, constante a cualquier frecuencia y longitud de onda. En el caso de propagación en sólidos metálicos se considera constante porque se pueden despreciar los efectos de presión y temperatura que no afecten en gran medida al material. Adicionalmente, existen modos de onda ultrasónica que se propagan a diferentes velocidades. Por ejemplo, en aceros de baja aleación, la velocidad de las ondas longitudinales es de 5820 m/s mientras que para ondas transversales es de 3190 m/s. [5,8] Impedancia acústica. Esta es una resistencia que se opone a la vibración de la onda. Es decir, en un medio con impedancia baja sus elementos vibrarán a gran velocidad con solo un pequeño cambio de la presión acústica, es decir, que el medio proporciona poca resistencia a las deformaciones elásticas causadas por la onda. En el caso de impedancia elevada, los elementos vibraran muy poco aún con una presión acústica elevada, ya que ofrecen gran resistencia a las deformaciones elásticas de la onda. [8] Según la teoría de propagación de las ondas acústicas esta magnitud puede considerarse como constante de cada material a través de la relación siguiente. Z = ρ C [Kg/m 2.s] Ecuación 3.2 [5] Donde Z es la impedancia acústica, ρ es la densidad del material y C es la velocidad de las ondas ultrasónicas en el medio Presión acústica. Consiste en una presión alterna consecuencia de los cambios periódicos de la presión normal que producen las ondas ultrasónicas dentro de los materiales. Para las ondas longitudinales se puede definir como la fuerza normal por unidad de superficie del frente de onda, mientras que para la onda transversal seria la fuerza cortante por unidad de superficie del

22 12 frente de onda. [8] Como se presenta en la Ecuación 3.3, la presión acústica de las ondas planas y esféricas se relaciona con la amplitud máxima de oscilación. P = ρ C ω A [N/m 2 ] Ecuación 3.3 [8] Donde P es la presión acústica, ρ es la densidad del material, C es la velocidad acústica en el material, ω es la frecuencia angular y A es la máxima amplitud de oscilación. La altura de las indicaciones en la pantalla del equipo de pulso-eco son proporcionales a la presión acústica. La diferencia de altura de los picos en los equipos se mide en decibeles y se relaciona con la presión acústica tal como se representa en la Ecuación 3.4 a continuación. 1 Diferencia de altura en db = 20log P Ecuación 3.4 [7] P 2 La diferencia de altura surge de la relación logarítmica de la presión acústica del eco final (P 1 ) entre la presión del eco inicial (P 2 ). [7] Adicionalmente, la cantidad de energía acústica que atraviesa un unidad de área en un tiempo determinado se conoce como la intensidad acústica (I), y se corresponde a la presión e impedancia acústica a través de la Ecuación 3.5 siguiente. I 2 1 P = [W/m 2 ] Ecuación 3.5 [8] 2 Z Los parámetros son los mismos empleados en ecuaciones anteriores. [8] Fenómenos de atenuación. Los fenómenos de atenuación, conocidos como amortiguación o extinción del haz ultrasónico, se producen por efecto de la dispersión y absorción, que pueden ser más o menos pronunciados dependiendo del material.

23 Dispersión. Este efecto es consecuencia de las heterogeneidades de los materiales, constituidos con superficies límites y entrecaras en las que se produce un cambio brusco en la impedancia acústica, debido a diferentes densidades y velocidades acústicas en un mismo material. Entre las heterogeneidades presentes están: Inclusiones, pueden ser de tipo no metálicas en aceros Heterogeneidades genuinas o intencionadas, como poros en materiales sinterizados. Precipitados de naturaleza diferente, como grafito en fundiciones grises. Diferentes fases, estructura o composición dentro de un mismo material. Las diferentes orientaciones de los granos cristalinos en materiales de igual fase o propiedades elásticas diferentes en cada dirección (anisotropía). Materiales con grano basto comparado con la longitud de onda del ultrasonido; en el límite de grano oblicuo, la onda se desdoblará en varios tipos de ondas reflejadas y trasmitidas, que a su vez se separaran en varios tipos de ondas en el siguiente límite de grano. De manera que el haz incidente se separa sucesivamente en ondas parciales a lo largo de su trayectoria, y que finalmente se irán convirtiendo en calor. Adicionalmente, en casos en que el tamaño de grano sea del orden de 1/1000 a 1/100 de la longitud de onda se tendrá una dispersión, que desde el punto de vista práctico, permitiría la realización del ensayo. Sin embargo, para tamaños de 1/10 de la longitud de onda la dispersión se manifiesta, de tal forma, que si el material tiene anisotropía acusada sería imposible la inspección por ultrasonido. [7,8] Absorción. La absorción es el efecto de la conversión directa de la energía ultrasónica en calor. Todos los materiales que no se encuentran en el cero absoluto tendrán a sus partículas vibrando en función de su temperatura, así mismo produciendo calor. Cuando la onda ultrasónica se propaga a través del material aumentando de la vibración, se producirá un proporcional aumento de la temperatura y trasformación de la energía en calor. Esto crea un efecto de frenado de la onda,

24 14 que es mayor cuando la onda tiene una oscilación más rápida, es decir existe mayor absorción a mayor frecuencia. La absorción pura causará un debilitamiento de la energía transmitida, y la amplitud del eco en pantalla. [7,8] Ley de atenuación. La variación de la presión acústica de una onda plana que decrece exclusivamente por efecto de la atenuación, se expresa según las Ecuaciones 3.6 y 3.7 como una disminución exponencial de la presión en función del camino sónico. P = P0 exp( α s) Ecuación 3.6 [8] ln P 0 α s = P [NEPER] Ecuación 3.7 [8] Si consideramos 1 NEPER= 8,68 db y la expresión ln x = 2, 303log x que relaciona la función logarítmica base 10 con el logaritmo natural se obtiene la Ecuación 3.8 en decibeles. 20log P 0 α s = P [db] Ecuación 3.8 [8] Otros factores de pérdidas considerados dentro de la atenuación pueden ser: pérdidas en el medio acoplante, dispersión por la rugosidad y pérdidas por divergencia del haz. [7,8] 3.5. Modos o tipos de ondas acústicas. Las ondas ultrasónicas que se propagan dentro de un material incluyen a las ondas longitudinales y transversales que se emplean en la evaluación no destructiva.

25 Ondas longitudinales. Estas son las ondas denominadas de compresión, y se caracteriza porque se propagan en la misma dirección que el movimiento de las partículas. Poseen la mayor velocidad entre las ondas de cuerpo a través de sólidos y fluidos, y se puede calcular por medio de las propiedades físicas del material según la Ecuación 3.9 de la Tabla 3.1. [8] Ondas transversales. Denominadas ondas de cizalla, las transversales son ondas en las cuales el movimiento de las partículas es perpendicular a la dirección de propagación. Tienen una velocidad inferior a las ondas de compresión, razón por la cual poseen una longitud de onda menor que las ondas longitudinales a igual frecuencia. La velocidad a través de las propiedades físicas se calcula por la Ecuación 3.10 presente en la Tabla 3.1. Solo pueden propagarse apreciablemente a través de los sólidos. [8] Tabla 3.1. Características de las ondas y ecuación de la velocidad mediante las propiedades físicas. Esquema de la onda Dirección de oscilación Propagación Símbolo Velocidad E 1 υ vl = ρ υ υ ( 1 )( 1 2 ) Ec.3.9 [8] E 1 vt = ρ 2 1 ( + υ ) Ec [8] Para las velocidades, E corresponde al módulo de elasticidad, ρ es la densidad, υ es el módulo de Poisson, v l y v t son las velocidades de la onda longitudinal y transversal respectivamente Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites. Las superficies límites o contornos de los materiales produce sobre la onda ultrasónica algún tipo de alteración. Si se tratase de un material en un espacio vacío la transmisión no podría llevarse a cabo y la onda retornaría mediante reflexión, en superficies lisas, o por dispersión, para superficies rugosas. Si otro material se encuentra unido a la superficie límite del primero, la

26 16 transmisión de la onda acústica se producirá si se propagan libremente los esfuerzos, pero con una alterada dirección, intensidad y modo Incidencia normal. Si la onda incide perpendicularmente a la superficie plana que separa dos medios diferentes, esta onda se separa en una parte que se refleja y otra que se transmite al segundo medio manteniendo la dirección y el sentido. Tal como se esquematiza en la Figura 3.1, la onda incidente (I i ) llega a la interfase y se separa en una onda reflejada (I r ), que viaja en sentido contrario a la incidente en el material 1, y una onda trasmitida (I t ) en el material 2. Figura 3.1. Diagrama ilustrativo de la transmisión y reflexión de un haz ultrasónico con incidencia normal. [8] Las cantidades de energía transmitida y reflejada, calculada por medio de la intensidad del haz ultrasónico, serán los coeficientes de transmisión y reflexión respectivamente. Pueden expresarse en función de las impedancias a través de la teoría de propagación de ondas, tal como se muestra en las expresiones dadas para la reflexión, en la Ecuación 3.11, y para la transmisión en la Ecuación I ( Z2 Z1) ( + ) r R = = I i Z1 Z2 2 2 Ecuación 3.11 [8] T It 4 Z Z = = I Z Z i ( + ) Ecuación 3.12 [8]

27 17 Donde R y T son los coeficientes de reflexión y refracción respectivamente, I i es la intensidad acústica del haz incidente, I r es la intensidad del haz reflejado y I t la del haz refractado o trasmitido. La impedancia acústica del medio 1 es Z 1 y la del medio 2 es Z 2. [7,8] En términos de energía se tendrá una incidencia que es igual a la suma de la energía trasmitida y reflejada del haz de la Ecuación Ii = Ir + It Ecuación 3.13 [8] Incidencia angular u oblicua. Al incidir la onda de manera oblicua, en un ángulo entre cero y noventa grados medidos desde la normal de la superficie, ocurre un fenómeno que genera ondas reflejadas y transmitidas al igual que en óptica. En la Figura 3.2, se esquematiza el fenómeno que ocurre al incidir de manera oblicua en la interfase con un haz incidente que se separa en un haz reflejado al medio 1 y en otro refractado al medio 2, con respectivos ángulos α i, α r y β. Figura 3.2. Representación de un haz incidente de manera oblicua donde ocurre la separación en un haz reflejado y otro transmitido en la interfase de dos materiales diferentes. [8]

28 Leyes de reflexión y refracción. Los ángulos de las ondas reflejadas y trasmitidas dependerán del ángulo de incidencia y de las velocidades acústicas de ambos medios a través de la Ley de Snell o Ley de la óptica presente en la Ecuación 3.14 a continuación. sinαi sin β C C 1 [8] = Ecuación En la ley de Snell α i es el ángulo de incidencia del haz sobre la interfase, β es el ángulo de reflexión o refracción según sea el caso, C 1 es la velocidad acústica en el medio 1 y C 2 es la velocidad del medio 2. [7,8] Modos de conversión. En la incidencia angular, además de producirse la reflexión y refracción del haz, se produce un fenómeno de desdoblamiento de la onda tanto reflejada como refractada, donde un tipo de onda origina una onda longitudinal y otra transversal. En la Figura 3.3 se muestran los modos de conversión para una onda incidente de tipo longitudinal (izquierda) o transversal (derecha), que tendrá el mismo ángulo con la normal que la onda reflejada de igual tipo, es decir, que se cumple αil = αrl para las ondas longitudinales y α it = α para las transversales. rt Adicionalmente, debido a que la velocidad acústica de la onda longitudinal es superior a la onda transversal, los ángulos de reflexión o de refracción serán mayores para las ondas longitudinales que los respectivos ángulos de reflexión o de refracción de las ondas trasversales. Con lo que se cumple que αrl > αrt y αtl > αtt, como se muestra en la Figura 3.3. [8]

29 19 Figura 3.3. Representación de separación y modos de conversión de un haz ultrasónico que incide de forma oblicua sobre una interfase. Izq.: incidencia de una onda longitudinal. Der.: incidencia de una onda transversal. Nótese el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión en el medio 1 para un mismo tipo de onda. Además, los ángulos de reflexión y transmisión para las ondas longitudinales son superiores a las ondas transversales. [8] 3.8. El campo ultrasónico de un oscilador. La aparición del campo es debida al movimiento vibratorio longitudinal y transversal del oscilador que se transmite a las partículas del material contiguo. Se definen tres zonas a través de toda la longitud del campo ultrasónico basándose en la sensibilidad debido a la variación de la presión acústica con la distancia. Figura 3.4. Esquema del haz generado por un oscilador ultrasónico. Destacan dos zonas características conocidas como campo cercano y campo lejano. Longitud del campo cercano es N y θ es el ángulo de divergencia del haz. [7]

30 Zona muerta del palpador. La interferencia causada por las vibraciones del cristal produce esta zona determinada por el tiempo de oscilación del palpador, es decir el tiempo que tarda en generar un pulso de vibración. Esta zona de sensibilidad pobre, debido al pulso inicial, no permitirá la detección de ninguna discontinuidad. [7,8] Zona del campo cercano. Se produce debido a la superposición de los fenómenos de difracción derivados por efecto de los bordes palpador, presentando interferencia del campo ultrasónico con variación de máximos y mínimos de la presión acústica. El campo cercano estará definido hasta, aproximadamente, el punto de presión acústica máxima en el eje central del haz. La longitud del campo próximo o zona Fresnel, se calcula simplificadamente a través de la Ecuación 3.15, y se define mediante la relación de la longitud de onda y el diámetro del palpador, pues a esta distancia el máximo de la presión se hace más ancho en el eje central del haz y la mayor parte de las fluctuaciones se desvían hacia el borde del campo. N 2 2 D R S = = = Ecuación 3.15 [8] 4λ λ πλ Donde N es la longitud de campo cercano, λ es la longitud de onda, D el diámetro del palpador, R el radio y S es la superficie o área del palpador. Esta expresión es válida para osciladores de área circular. En la zona de campo cercano debido a las fluctuaciones de intensidad se dificulta la detección de las discontinuidades, cuestión a considerar la validez de los resultados. [7,8] Zona del campo lejano. Seguida de la zona de interferencia se encuentra la zona de campo lejano o Fraunhofer, donde la presión acústica se estabiliza, con mayor intensidad sobre el eje central del haz y en

31 21 menor medida hacia los límites del eje. Adicionalmente, sufre una disminución de la presión acústica a lo largo del recorrido del haz, esta se puede representar para palpadores con cristales circulares, tal como se muestra en la Figura 3.5, donde la presión aumenta hasta un valor máximo y luego disminuye considerablemente al aumentar su recorrido en el material. Generalmente, la zona del campo cercano está definida hasta el máximo de presión acústica y en adelante representa la sección del campo lejano. [8] Figura 3.5. Comportamiento teórico de la curva de presión máxima en función de la distancia recorrida por el ultrasonido. La recta punteada representa el final del campo cercano. La curva obtenida es para un oscilador de D=12 mm y f=5mhz, con una presión atenuada P 0 =1. De la expresión P es la presión máxima y a es el camino sónico Divergencia del haz. El área cubierta por el haz sonoro, en la zona de campo lejano, aumentará con la distancia y se traducirá en dispersión de la presión acústica. Es posible determinar dicha divergencia a través del ángulo formado entre el eje del oscilador y la recta que define el primer mínimo de la presión acústica. Según la teoría de difracción de Fraunhofer se obtiene el ángulo de divergencia a través de la Ecuación 3.16 para un oscilador circular. [7,8] λ sinθ = 1,22 Ecuación 3.16 [8] D Donde θ es el ángulo de divergencia, λ la longitud de onda y D el diámetro del palpador.

32 Factores que influyen en la transmisión de los ultrasonidos a través de la superficie de exploración de la muestra. Existen factores asociados a la superficie, como el acoplamiento, la curvatura y rugosidad, que influyen en la transmisión del ultrasonido Medio de acoplamiento. El propósito de los acoplantes en ultrasonido consiste en promover una trayectoria con la más baja resistencia acústica posible para la transmisión del sonido desde el palpador hasta la pieza en ensayo. Como ejemplo, para el rango de frecuencias de ensayo (1 MHz 20 MHz) una película de aire con espesor del orden de 0,0001 mm impedirá totalmente la transmisión del ultrasonido. Es decir, tan solo un pequeña capa de un material acústicamente trasmisor (acoplante) es necesaria para proporcionar una correcta transmisión de la onda. Entre los acoplantes más utilizados tenemos el agua, varios tipos de aceites, glicerina, metilcelulosa, grasas a base de petróleo y a base de silicona, entre otros. Su selección está condicionada a factores de costo, disponibilidad, viscosidad, adherencia, reacciones químicas posibles y requerimientos de limpiezas luego del ensayo. Para los acoplantes de contacto directo, es necesario evaluar la condición, temperatura e inclinación de la superficie, antes de realizar su selección. En cuanto a la condición, se considera que a mayor rugosidad superficial, mayor debe ser la viscosidad del acoplante. En paredes verticales se utilizan acoplantes con buena adherencia, por ejemplo, la mezcla de metilcelulosa y agua. Adicionalmente, se desea que el acoplante produzca la menor atenuación posible, así como evitar la aparición de señales parásitas debidas a la generación de ondas superficiales. [7,8] Condición superficial. Se distinguen los efectos causados por cascarillas o recubrimientos que presentan películas de aire entre estos y el material base, como óxidos, recubrimientos protectores o cascarillas resultantes del tratamiento térmico, que impiden la adecuada transmisión de la presión

33 23 acústica del ultrasonido. Por ello debe prepararse la superficie de inspección mediante desbaste, resultando en una superficie son presencia de resistencia a la transmisión del ultrasonido. [8] Acabado superficial. Los efectos propios de la rugosidad consisten en: disminución de la transmisión de la presión acústica, aumento de la zona muerta, cambios direccionales del haz y generación de ondas parásitas. La disminución de transmisión se asocia a la rugosidad media y del índice de refracción que tenga el material, y de la frecuencia de trabajo. La superficie rugosa ocasiona un desfase de la onda, debido a las diferentes velocidades de propagación, que puede producir un fenómeno de interferencia capaz de anular de la presión acústica resultante. Por otra parte, las ondas emitidas desde los laterales del palpador, debido a la rugosidad superficial, ocasionan cambios en la dirección del haz y generación de ondas parásitas superficiales que aumentan la zona muerta del campo ultrasónico. Por ejemplo, cuando la distancia entre valle cresta en la superficie es superior a una 1/10 parte de la longitud de onda, se puede producir una dispersión lateral que incrementa el riesgo de reflexiones, dando lugar a indicaciones que simulan la presencia de discontinuidades. [7,8] Efecto de la curvatura superficial. Para incidencia normal, se tiene que para superficies de inspección convexas el palpador sufrirá una disminución del área de contacto lo que causará cambios en la divergencia del haz ultrasónico. El cambio es un fuerte aumento del ángulo de divergencia que disminuye notablemente la sensibilidad del ensayo. En cambio, para superficies cóncavas la divergencia del haz se disminuye, causando un efecto de focalizado. Sin embargo, si la curvatura cóncava es lo suficientemente pequeña, el centro del palpador perdería contacto con la superficie originando una transmisión inadecuada y la pérdida total de la sensibilidad. En la Figura 3.6 se tiene los efectos producidos por ambas curvaturas, el aumento de la divergencia de la superficie convexa y una pérdida total del haz en una superficie cóncava. [8]

34 24 Figura 3.6. Efectos de las superficies de inspección curvadas. Izquierda, la superficie convexa produce considerables aumentos de la divergencia. Derecha, la superficie cóncava puede producir una pérdida total del haz ultrasónico debido al mal contacto del palpador. [8] Calibración del sistema ultrasónico. La calibración en sistemas ultrasónicos se hace mediante bloques metálicos con discontinuidades artificiales, que se emplean para la determinación de las características de operación del instrumento y del palpador, con el fin de establecer y reproducir los ecos de indicación de respuesta del instrumento durante los ensayos. El bloque será de calibración cuando se utilice para determinar las características de operación de un equipo ultrasónico o para establecer una reproducción de las condiciones de ensayo. Si es usado para comparar la altura de un eco de discontinuidad o su ubicación en la pieza se les llama bloque de referencia. Para la calibración en distancia en haz normal se utiliza un bloque de referencia disponiendo el palpador en la dirección de una pulgada. Se dispone un rango necesario para ver, al menos, dos reflexiones del fondo. El primer eco sirve para ubicar la dilatación de la escala horizontal adecuada (el cero) y el segundo eco se utiliza para graduar el desplazamiento sorbe el rango (velocidad). Podría ser necesario ajustar en más de una ocasión la ubicación de los picos, pero una vez colocados adecuadamente el equipo estará calibrado en distancia. [7]

35 Bloques normalizados de referencia. En el ensayo se comparan las indicaciones de discontinuidades con las recibidas de un bloque normalizado con discontinuidades artificiales de dimensiones y profundidad conocidas. Estos permiten estandarizar los equipos ultrasónicos en ensayos a piezas generales y se realiza por dos razones: Comprobar que el conjunto equipo palpador funcione como se requiere. Seleccionar el nivel de sensibilidad o ganancia requerida para detectar discontinuidades según sus dimensiones en la pieza de ensayo. Para reproducir las condiciones de atenuación del sonido, los bloques de referencia se hacen del mismo material que la pieza de ensayo. El bloque miniatura V 2 presente en la Figura 3.7, es una versión ligera de los bloques normalizados de la serie I.I.W. que es comúnmente utilizado para la calibración en base tiempo de palpadores normales y angulares. Figura 3.7. Bloque de referencia I.I.W. V 2. [7] Generalmente, el bloque I.I.W. V 2 se encuentra para espesores de ½ y 1 pulgada y se elaboran en acero, acero inoxidable y aluminio. [7] Palpadores. Constituyen una de las unidades básicas del sistema ultrasónico del cual dependerán las cualidades del haz ultrasónico. El palpador convierte la energía eléctrica en mecánica, y energía

36 26 mecánica en eléctrica. Existen palpadores para cada aplicación, pero se emplean principalmente palpadores de contacto directo en las técnicas de inspección ultrasónicas. Para aplicaciones en la medición de espesores se utilizan palpadores de contacto directo con incidencia normal que consta de dos cristales, aislados acústicamente uno del otro, actuando uno como emisor y otro como receptor. El palpador posee un efecto de focalizado debido a una ligera inclinación de los cristales que permite concentrar el haz ultrasónico consiguiendo mayor sensibilidad en las proximidades de la superficie, es decir, medir espesor y detectar discontinuidades a una profundidad equivalente a una longitud de onda. Estos palpadores se esquematizan en la Figura 3.8 y se conocen como palpadores emisor receptor o E R. Figura 3.8. Palpador emisor receptor o E R. Posee dos cristales inclinados que crean un efecto de focalizado a la distancia focal F y poseen un intervalo de trabajo TB que permiten mediciones desde una profundidad equivalente a una longitud de onda. [7] En aplicaciones de pulso-eco con incidencia normal y angular se trabajan con palpadores conocidos como palpadores de cristal único, que funciona como emisor y receptor tanto de ondas longitudinales como transversales. Para la técnica con palpadores de incidencia normal se trasmiten ondas longitudinales a través del material, una vez reflejada la onda es recibida por el mismo palpador. Para incidencia angular se trabaja con ondas trasversales que son emitidas y recibidas por el mismo palpador. Algunos palpadores permiten la adaptación de una zapata plástica que modifican la incidencia de normal a angular, cambiando el ángulo de refracción del haz en el material y el modo de propagación de la onda. [7] Los palpadores ultrasónicos, así como el ensayo, deben disponer de dos habilidades esenciales que permitan la correcta detección y diferenciación de las discontinuidades:

37 Resolución. También llamado poder resolución de un palpador, es la habilidad que presentan los palpadores para separar o identificar las señales de indicación de varios reflectores diferentes y cercanos, en lo que a profundidad se refiere. [7] Sensibilidad. Consiste en la habilidad para detectar discontinuidades del menor tamaño posible, dicho tamaño debe ser suministrado por el fabricante del equipo como dato de calibración y se conoce como tamaño crítico de defecto. [7] Técnicas de inspección ultrasónica Mapeo de corrosión y erosión. El mapeo de corrosión y erosión se basa en una aplicación de la medición de espesores con el objetivo de conocer el desgaste progresivo o pérdida de espesor debido a procesos de degradación presentes en materiales y equipos en servicio. El mapeo también puede aplicarse a la medición y verificación de espesores o presencia de discontinuidades en materiales y equipo en fabricación. La técnica se basa en la propiedad de la impedancia acústica, que es intrínseca de cada material. Pues utiliza la capacidad del sonido para reflejarse al alcanzar una interfase acústica definida por dos medios con impedancias diferentes, véase la Ecuaciones 3.11, 3.12 y 3.13 que representan el comportamiento del ultrasonido tras alcanzar una interfase entre dos medios. La Figura 3.9.A muestra que el material o medio inspeccionado permite la transmisión de la onda emitida por el transductor a través de toda su extensión (haz incidente). Al llegar a la interfase se produce la reflexión de la onda hacia el medio inspeccionado (haz reflejado), debido a la diferencia de impedancias acústica y definida por la ley de reflexión y refracción según se

38 28 muestra en la Figura 3.1. Cuando el haz reflejado llega al transductor se toma la lectura del tiempo de vuelo de la onda. En la Figura 3.9.B se tiene el mismo fenómeno de reflexión de la onda pero para el caso de una discontinuidad dentro del material. De manera similar, la diferencia de impedancia acústica entre el material base y la discontinuidad promueven la reflexión del haz. Figura 3.9. Medición de espesores basado en la reflexión del ultrasonido. A (izq.), reflexión en la interfase del material y el medio circundante. B (der.), reflexión sobre una discontinuidad. El espesor o profundidad del defecto se obtiene por medio de la expresión cinemática, presente en la Ecuación 3.17, que relaciona la velocidad acústica con la distancia donde ocurre el eco (espesor) y el tiempo de vuelo de la onda. [7,8,9,10] C T t = v Ecuación 3.17 [10] 2 Así, se tiene que t es el espesor, C es la velocidad acústica en el material y T v es el tiempo de vuelo de la onda.

39 Tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD: time of flight diffraction). Esta técnica permite detectar, caracterizar y dimensionar las discontinuidades presentes en el volumen del material inspeccionado, incluso con mayor precisión que las técnicas tradicionales de pulso eco. La técnica utiliza un montaje denominado TANDEM, que permite una amplia cobertura volumétrica, donde se ubican los palpadores junto con las zapatas angulares adecuadas y separados a una distancia determinada. La divergencia del haz ultrasónico, permite irradiar todo el volumen en la distancia entre los palpadores. En la Figura 3.10 se esquematiza el montaje de los transductores de emisión (Tx) y recepción (Rx) separados por una distancia S en un arreglo TANDEM sobre una pieza de espesor t. Figura Montaje esquemático de la técnica de TOFD. Tx y Rx son los palpadores emisor y receptor, respectivamente. C L es la línea central (center line) del condón de soldadura, t es el espesor de la pieza y S es la distancia entre los palpadores. [11] La distancia entre palpadores se determina según la Ecuación 3.18 de acuerdo al estándar británico BS7706, en función del espesor y el ángulo de refracción del haz. 4 S = t tanα Ecuación 3.18 [11] 3

40 30 Donde S será la separación entre los palpadores, t es el espesor de la pieza y α es el ángulo de refracción del haz sobre el material de la pieza. [11] La técnica permite obtener una imagen en B scan representativa del material inspeccionado que se construye por medio de los diferentes modos de propagación que se generan en la inspección. Estos modos son: La onda lateral, se define como una onda de compresión que viaja a través de la ruta más directa entre el trasmisor y el receptor. Esta señal representa la superficie de contacto de los palpadores y sobre ella se muestran las discontinuidades cercanas a dicha superficie. El eco de fondo, es la onda reflejada sobre la superficie interna del material, principalmente si se examina sobre una lámina o pared de tubería. Las ondas difractadas, se producen a razón de la distorsión causada por los obstáculos cuyas dimensiones son comparables con la longitud de onda utilizada en el ensayo. Estas señales representan las discontinuidades presentes en el material inspeccionado y se ubicarán en el intermedio entre la onda lateral y el eco de fondo, rango considerado como el espesor del material. Aunque las señales (onda lateral y eco de fondo) mencionadas son generadas por ondas longitudinales, adicionalmente, conviven las ondas transversales que se muestran en la imagen B scan por debajo del eco de fondo de las ondas longitudinales. [11,12] En la Figura 3.11 se muestra la imagen B scan correspondiente a un barrido de 150 mm sobre un cordón de soldadura con discontinuidades donde resaltan la ubicación de dos modos de propagación: la onda lateral (OL), considerada la superficie externa de la pieza, y el eco de fondo (BW) correspondiente a la superficie interna. La región comprendida entre ambos representa el espesor (t) del material. Mientras que las ondas difractas permiten visualizar las discontinuidades, D1 corresponde a una falta de fusión y D2 a una mordedura. Adicionalmente, se tiene una presentación A scan a 20 mm del barrido donde aparecen en la señal la onda lateral y el eco de fondo.

41 31 Superficie Externa Espesor (t) Superficie Interna Figura Imagen típica en presentación B scan de inspección por TOFD con una presentación a A scan del barrido sobre el cordón de soldadura en un acero al carbono. Palpadores utilizados de 5 MHz de frecuencia y 6 mm de diámetro, en zapatas angulares de 60º de ángulo de refracción. Izq., señal en presentación A scan obtenida a los 20 mm de barrido. Der., imagen en B scan para un barrido de 150 mm donde aparecen claramente dos discontinuidades: falta de fusión (D1) y mordedura (D2). OL=onda lateral, BW=eco de fondo. El eje de abscisas, en la imagen B scan obtenida por TOFD, representa la distancia o longitud de barrido con los palpadores, mientras que el eje de las ordenadas representa el tiempo de vuelo de cada una de las ondas. Entonces, la distancia de barrido será la longitud del volumen inspeccionado y el tiempo de vuelo permite obtener los valores de profundidad para cada indicación en la imagen. Es decir, la imagen permite ubicar, dimensionar y caracterizar las discontinuidades presentes en el material inspeccionado. La Figura 3.12 ilustra la cobertura de las ondas longitudinales como una zona verde, delimitada por la divergencia del haz, dentro de una pieza en inspección. También, se muestra una zona en rojo que corresponde a la longitud del campo cercano que convenientemente está ubicada dentro del cuerpo de la zapata. Por último, la región en azul es la zona muerta de TOFD de las ondas longitudinales cercana a la superficie de inspección puede aparecer por falta de divergencia del haz y por un campo próximo muy extenso que salga del cuerpo de las zapatas. [11]

42 32 Figura Zonas en significativas en TOFD. Aparecen el campo próximo (rojo), la cobertura de las ondas longitudinales (verde) y la zona muerta (ZM) cercana en la onda lateral (azul). [11,12] En los ensayos con la técnica de TOFD se aumenta la frecuencia en casos que se necesite mejorar la resolución. [11] La Figura 3.13 muestra como una longitud de onda λ 1 >>λ 2 no podrá detectar la discontinuidad presente, mientras que una onda con longitud λ 2 se detendrá debido a que sus periodos son suficientemente cortos para que existe interacción entre la onda y la discontinuidad. Figura Detección para las longitudes de onda de λ 1 y λ 2, siendo λ 1 > λ 2. [11] La interacción de la onda con las discontinuidades genera el fenómeno denominado difracción, donde los bordes de la discontinuidad sirven como focos de ondas difractadas que permiten al transductor receptor ubicar dichos bordes y dibujar el contorno de la discontinuidad. La Figura 3.14 muestra que las ondas de longitud λ inciden en la discontinuidad provocando el fenómeno de difracción, cuando los bordes de dicha discontinuidad generan ondas difractadas de una longitud de onda idéntica a la onda incidente. [11]

43 33 Figura La incidencia de una onda de longitud λ sobre una discontinuidad produce un foco de ondas difractadas al borde de la discontinuidad mediante el fenómeno de difracción. [11] La relación entre el campo cercano y la frecuencia del ensayo, establecida a través de las Ecuaciones 3.1 y 3.15, es directamente proporcional, donde un aumento de la frecuencia produce una mayor longitud del campo cercano. La Figura 3.15.a presenta un gráfico donde se establece la relación frecuencia-campo cercano a diámetros constantes del palpador (6 y 12 mm). En estos términos, la selección de la frecuencia del palpador debería basarse en una longitud de campo cercano que establezca una zona muerta de TOFD lo más pequeña posible, permitiendo una detectabilidad suficiente en el espesor del material. Se recomienda la selección de frecuencias bajas a fin de disminuir el campo cercano, pero que no comprometan la resolución y sensibilidad de las imágenes resultantes. Por otra parte, la relación de la frecuencia con la divergencia del haz tiene un efecto contrario. La Ecuación 3.16 establece que el aumento de la frecuencia produce una considerable disminución de la divergencia, como se muestra en la Figura 3.15.b. En consecuencia se tiene una menor área efectiva de detección de las ondas longitudinales, es decir, se disminuye la cobertura del haz dentro del volumen de la pieza. [8,11]

44 34 Figura Izquierda: Longitud del campo cercano en función de la frecuencia. Derecha: Ángulo de divergencia en función de la frecuencia. Ambas relaciones para los diámetros de palpadores de 6 y 12 mm. [8]

45 35 IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. A continuación se esquematiza el procedimiento experimental realizado en el proyecto de pasantía para cada una de las técnicas empleadas. Figura 4.1. Diagrama del procedimiento experimental utilizado.

46 Descripción de las probetas. Se hizo la evaluación de 3 secciones de tuberías pertenecientes a la industria petrolera, que presentaban deterioro por causa de la corrosión y erosión de los fluidos de transporte. Cada tubería presentaba una morfología diferente resultado de procesos de degradación desconocidos. También, se inspeccionaron 4 probetas planas soldadas por arco eléctrico que constituyen un set para calificación de inspectores, y fueron fabricadas con discontinuidades conocidas a lo largo del cordón de soldadura. En la Tabla 4.1 se muestra la descripción de las probetas seleccionadas. Tabla 4.1. Descripción de probetas seleccionadas para la inspección por ultrasonido. Identificación Tipo de probeta Dimensiones (mm) Defectología Tubería Nº 1 Tubular 136* Corroída Tubería Nº 2 Tubular 210* Corroída Tubería Nº 3 Tubular 240* Corroída PL1409 Plana soldada 150 x 200 Falta de fusión Socavación PL1410 Plana soldada 150 x 200 Falta de penetración Escoria PL1411 Plana soldada 150 x 200 Porosidades Grieta PL1412 Plana soldada 150 x 200 Falta de fusión Exceso de penetración * La medida corresponde al radio exterior de la tubería. Con el mapeo de corrosión y erosión se inspeccionaron todas las probetas tubulares, junto con la probeta plana soldada con las porosidades y la grieta. En la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD) se emplearon todas las probetas planas soldadas con discontinuidades Mapeo de corrosión y erosión a través de µmap Montaje e instalación de equipos. El montaje se realizó como se muestra en la Figura 4.2. El equipo para mapeo de corrosión y erosión utilizado, conocido como µ + de AEA Veritec Sonomatic, consiste en una computadora portátil con dispositivos de emisión y recepción de señales electrónicas donde se

47 37 conectó el transductor de doble cristal, tipo E R, 4 MHz de frecuencia, 10 mm de diámetro y marca Sonomatic, mediante cableado coaxial con conectores tipo LEMO 00. Adicionalmente, se instaló al equipo µ + el sistema de seguimiento del transductor, compuesto por un diodo (LED) y una cámara de video marca PULNIX modelo TM500i. El diodo se instaló en la parte superior del palpador, tal como se muestra en la figura. La distancia desde la superficie de la pieza hasta la ubicación del diodo se conoce como HL. Por otra parte, la cámara se instaló a una separación entre la pieza y la lente, conocida como HC, que se obtiene una vez que la cámara se coloca a una altura tal que permite visualizar toda la superficie de la pieza y enfoca adecuadamente el diodo sobre el palpador. Figura 4.2. Montaje y sistema de coordenadas utilizado para mapeo de corrosión y erosión mediante µmap. Se muestran las orientaciones con respecto a la cámara, las distancias cámara pieza (HC) y al LED (HL). El programa µmap, que se muestra en la pantalla del µ + de la Figura 4.2, se carga una vez que el sistema verifica todas las opciones y conexiones de manera automática. Seguidamente, el programa se encuentra listo para operar Calibración en distancia. El primer paso consiste en la calibración en distancia de la pantalla A Scan. Para ello se dispuso el bloque de referencia tipo I.I.W. v2 en posición horizontal de manera que permitiera la

48 38 medición a través del espesor de una pulgada. Se colocó aceite sobre la superficie del bloque como medio de acople, y seguidamente el palpador. En la pantalla A Scan, se mostraron las reflexiones correspondientes al espesor de una pulgada, con un rango que permitió mostrar al menos dos reflexiones del espesor, es decir, superior a 50 mm. Para la configuración de los parámetros del A Scan, se dispusieron filtros de frecuencia alrededor de los 4 MHz que posee el palpador, donde la frecuencia más baja admitida o pase de alta (High pass filter) fue de 3,0 MHz y la más alta admitida o pase de baja (Low pass filter) fue de 9,0 MHz. El ancho de pulso se ubicó en 110 ns, valor que debe ser inferior al período de la onda de 4 MHz de frecuencia. Los disparos por segundo (PRF) se ubicaron en 1000 Hz, es decir, mil disparos por segundo, valor considerado aceptable y recomendado por el manual del equipo. Se ajusto la velocidad ultrasónica en 5920 m/s, según valores en tablas de la velocidad de las ondas longitudinales en el acero. La ganancia se colocó de manera tal que la primera indicación de espesor, primer pico, alcanzará el 80% en amplitud en pantalla. Seguidamente, se configuraron los parámetros de la ventana (gate) o rango donde se tomará la data, pues toda indicación que supere la altura de la ventana y este en su rango de longitud se procesará como dato de espesor. Así, el inicio se colocó desde el cero en distancia, una longitud de 43 mm y una altura al 40% de la pantalla. El modo de adquisición se ubicó entre picos (Between peaks). Con el palpador sobre la superficie de inspección y verificando que la ventana cubría el rango de dos picos se procedió al cálculo del retraso (Delay), que permite hallar adecuadamente el cero del eje de tiempo. La finalidad es que la distancia entre paredes (Difference in backwalls) fuera igual al espesor del bloque de referencia, calibrado a 1 o 25 mm de espesor, variando la velocidad del ultrasonido. Cuando se logró ubicar la distancia entre paredes a 25 mm se consideró que el retraso era el adecuado y el equipo se encontraba calibrado en distancia.

49 Configuración y prueba de la cámara. Previo a la toma de espesores sobre las piezas, se configura la cámara con visión al diodo sobre el palpador, pues la finalidad es adecuar el sistema del LED con la cámara para poder cubrir toda el área delimitada durante el barrido de medición de espesores. Una vez detectada la luz del diodo por la cámara, se calibraron las opciones LED Peak entre el 90 95% y LED drive entre 40 50%, valores recomendados por el manual de operación. Adicionalmente, se utilizó el sistema de control automático de ganancia (AGC) para que mantuviera constante los valores de brillo y contraste, independientemente de la luminosidad externa Proceso de adquisición de datos. Una vez calibrado el equipo, se procedió a configurar y almacenar los datos obtenidos mediante los barridos realizados en cada una de las piezas, según el procedimiento anteriormente mencionado. Se utilizó un sistema de promedio de mediciones de entre al menos 8 lecturas de espesor. Siempre considerando el primer pico o primera reflexión para la medición del espesor. Para efectos de la imagen C Scan resultante, se seleccionó un tamaño de píxel Nº 2. Lo que permite un nivel de resolución en pantalla adecuado de 192x192 bloques, para las piezas de tubería afectadas por corrosión y para la probeta con discontinuidades en el cordón de soldadura. Posteriormente, se delimitó el área de inspección mediante la asignación de los marcadores en regiones que conformaban rectángulos. A las marcas, que se colocaron gracias al sistema de seguimiento que conforman el LED y la cámara, se le asignaron coordenadas según el sistema cartesiano de la Figura 4.2, de manera que puedan ubicarse cada punto de la pieza en la imagen resultante de la inspección. Para las secciones de tuberías de mayor extensión, presentes en la Figura A.1 y Figura A.2 del Anexo A, se dispusieron sistemas de marcas que cubrieran toda la superficie de las piezas semicirculares. En la tubería con corrosión interna de la Figura A.1 se utilizaron marcas que resultaron en 27 regiones rectangulares, mientras que para la tubería con corrosión externa de la Figura A.2 resultaron 18 regiones. Las regiones y coordenadas trazadas para ambas secciones de

50 40 tuberías se encuentran en la Figura A.4 del Anexo A. Hay que resaltar que cada región rectangular correspondió a un barrido de inspección que, posteriormente, se unió en una sola imagen mediante las coordenadas introducidas bajo una de las opciones del programa. Sin embargo, para la probeta tubular de menor extensión y la probeta plana con soldadura, correspondientes a la Figura A.3 y A.5 del Anexo A respectivamente, se realizó la inspección mediante un solo barrido, así que el área de inspección de cada una estuvo compuesta solo por cuatro marcas. La configuración del equipo µ + permite a través de los colores diferenciar, en la imagen C scan resultante, los diferentes espesores presentes en una misma pieza. Dentro de la configuración de las variables se crea una paleta de colores, considerando el espesor nominal y las variaciones de espesor presentes en las piezas. Así, para la sección de tubería de mayor extensión con corrosión interna se asignó una escala con 30 colores que representan espesores desde los 6 mm a los 11 mm, la tubería de gran extensión con corrosión externa se le colocó una escala de 28 colores con valores desde los 3,30 mm hasta 7,69 mm, en la sección de tubería de menor extensión la escala comprende 25 colores con valores que van desde los 5,40 mm a los 16,50 mm. Mientras que la pieza con soldadura con defectos presentó una escala de 20 colores con valores desde los 7,50 mm hasta los 27,50 mm. Una vez ajustados y calibrados los parámetros correspondientes a cada muestra, se realizó el barrido sobre toda la extensión de la pieza. El palpador se movió sobre la superficie, procurando barrer toda el área de manera uniforme, que en pantalla se mostraba como la zona coloreada que identifica la medición de los espesores. Finalizados los barridos, se almacenan las imágenes en formato SCR, que contiene todo la información relacionada al ensayo. Para las probetas tubulares con una superficie de inspección convexa fue necesario realizar una corrección de las imágenes debido a la curvatura. Los parámetros necesarios para la corrección, que se muestran en la Figura 4.2 sobre el montaje de mapeo de corrosión y erosión, comprenden: la altura del LED a la superficie de la pieza inspeccionada (HL), altura desde la superficie de la pieza a la lente de la cámara (HC), circunferencia o perímetro de la muestra (P t ),

51 41 longitud de visión en dirección al flujo de la tubería (CVC) y orientación del flujo de la tubería con respecto a la cámara. En la Tabla 4.2 se reportan cada uno de los parámetros considerados para realizar la corrección por curvatura para inspección en superficie convexa. Sin embargo, para muestras que presentan una superficie de inspección cóncava, el programa µmap no posee la corrección por curvatura correspondiente. Tabla 4.2. Parámetros utilizados en la corrección de curvatura de las secciones de tuberías con superficies de inspección convexas. Parámetro Tubería Nº 1 Tubería Nº 3 Altura del LED a la pieza (mm) Height of LED above Sample Altura de cámara a la pieza (mm) Height of Camera above Sample Perímetro de la pieza (mm) Circumference of Sample Campo de visión de la cámara (mm) Field of View of Camera Orientación del tubo Orientation Pipe Vertical Vertical 4.3. Técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada a través de µtofd. Se enfocó en la evaluación de probetas soldadas a fin de determinar la configuración adecuada para obtener las imágenes B scan con la mayor resolución y sensibilidad posible Montaje e instalación de equipos. El montaje utilizado en la técnica de TOFD se muestra en la Figura 4.3. El canal de salida (out) del equipo µ + se conecta directamente al transductor de trasmisión de ultrasonido, mientras que el canal de entrada (in) se conecta al transductor de recepción, intercalado con preamplificador para ultrasonido marca AEA Sonomatic, tal como aparece en la figura mencionada. Todo el cableado se compone de cables coaxiales con conectores tipo LEMO 00.

52 42 in out Figura 4.3. Montaje utilizado para la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada mediante µtofd. El transductor transmisor se conecta directamente al µ+, pero al receptor se le intercala un preamplificador. La imagen en pantalla del equipo µ + corresponde un barrido en B Scan en µtofd. Los transductores de entrada y salida sobre sus zapatas, y enlazados con un montaje para TOFD dispuestos para una evaluación volumétrica, como aparecen en la Figura 4.3, es lo que se conoce como arreglo TANDEM. Los palpadores utilizados, marca AEA Sonomatic, para TOFD son de 6 mm de diámetro y frecuencias de 2, 5, 10 y 15 MHz, y de 12 mm de diámetro y frecuencias de 2, 5 y 10 MHz; sobre zapatas de la misma marca con ángulos de 45, 60 y 70 grados. En todos los casos fue necesario dos componentes de cada tipo, uno incorporado como emisor y otro como receptor. Los arreglos TANDEM utilizados corresponden a diferentes combinaciones angulares de las zapatas y de los diámetros y frecuencias de los palpadores. Se utilizaron 18 arreglos TANDEM compuestos por variaciones de los ángulos de 45º, 60º y 70º, las frecuencias de 2, 5 y 10 MHz y los diámetros de 6 y 12 mm; y 3 arreglos compuestos por ángulos de 45º, 60º y 70º, la frecuencia de 15 MHz y diámetro de 6 mm. En definitiva se probaron un total de 21 montajes para la inspección de las 4 probetas soldadas presentes en las Figuras A.5 y A.6 del Anexo A. La separación entre los palpadores utilizada para cada caso se encuentra en la Tabla 4.3. Dicha separación se determinó considerando la Ecuación 3.18, en función de los ángulos mencionados y el espesor de las piezas soldadas, que en todos los casos era de 3 pulgadas. Por

53 43 otro lado, para las probetas soldadas con welding over lay y examinadas a un ángulo de 45º, se utilizó una separación superior a la determinada por la Ecuación 3.18 que permite estudiar los efectos de la separación de los palpadores en las imágenes resultantes de la técnica de TOFD. Tabla 4.3. Separación entre palpadores para cada ángulo de refracción utilizado para el arreglo TANDEM. α (grados) Probeta PL1411 Otras Todas Todas S (mm) α=ángulo, S=separación, Otras se refiere a las probetas PL1409, PL1410 y PL Configuración de parámetros en A Scan. Una vez instalado el montaje, se configuró en el programa µtofd los parámetros del A scan. Se dispusieron los filtros de frecuencia alrededor de los valores utilizados, siendo el pase de alta (High Pass Filter) el límite inferior y el pase de baja (Low Pass Filter) el límite superior, y el ancho de pulso con un valor inferior al período de la onda para cada frecuencia, tal como se tienen en la Tabla 4.4 siguiente. Tabla 4.4. Ancho de pulso y filtros configurados para cada frecuencia utilizada. Parámetros / frecuencia 2 MHz 5 MHz 10 MHz 15 MHz Pulse Width (ns) High Pass Filter (MHz) 1,5 1,5 1,5 3 Low Pass Filter (MHz) ,5 17,5 Adicionalmente, se colocó el voltaje de trabajo en 200 V, el número de disparos por segundo o PRF en 750 Hz, la frecuencia de digitalización en 64 MHz y la velocidad de las ondas longitudinales en el acero en 5920 m/s. Para el ángulo de refracción se indicó el valor de la zapata de cada caso. El promedio de A Scan en la señal se ubicó a 16 frames (promedio de N A Scans para un solo muestreo de señal) para todos los arreglos. Adicionalmente, se elaboró una prueba para todos los montajes con 15 MHz utilizando un promedio de 128 frames. Los valores de la ganancia y los parámetros de la ventana estuvieron condicionados por cada arreglo TANDEM utilizado. La finalidad era disponer una ganancia que permitiera visualizar adecuadamente la señal sin la presencia de ruido, y unos parámetros de ventana que envolvieran a la señal a lo largo

54 44 de la zona de interés, desde la onda lateral hasta el eco de fondo de las ondas transversales, tal como se muestra en la Figura 4.4 de una señal A Scan correctamente configurada. Figura 4.4. Esquema de configuración del tamaño de la ventana utilizado sobre la onda en A Scan para la toma de imágenes de la técnica de TOFD Proceso de adquisición de datos. En el proceso de adquisición de datos, se introdujo la longitud de la pieza en 150 mm, que es igual a la distancia del barrido, y el espesor nominal y máximo de 3 pulgadas (o 25 mm). El tipo de barrido es no paralelo (Non parallel), que corresponde a que la orientación de los palpadores en el barrido no es paralela al condón de soldadura, y es similar a la posición como se muestran los palpadores T y R en la Figura 4.3 sobre el montaje de TOFD. La altura de los palpadores debido a las zapatas es, aproximadamente, de 5 mm y la separación entre los palpadores es la que se muestra en Tabla 4.2 según sea el caso. Adicionalmente, la separación entre las sucesivas señales de A scan (o Raster spacing) es de 0,5 mm y el modo de recolección es en carrera libre o free-run, que significa que los palpadores se mueven libremente a través del cordón de manera manual. Finalmente, para la toma de las imágenes B Scan se movieron los palpadores sobre la pieza a una velocidad idéntica a la de barrido en la pantalla del µ +, definiendo las longitudes de 50 y 100 mm como puntos de referencia de sincronización entre la posición de los palpadores y el

55 45 barrido en la pantalla. Una vez finalizado el barrido, se almacena bajo el formato SCR, con toda la información relacionada al ensayo. En total se obtuvieron 96 imágenes B Scan sobre barridos en las 4 probetas planas soldadas: imágenes provenientes de barridos con 21 arreglos TANDEM a 16 frames imágenes provenientes de barridos con 3 arreglos TANDEM a 128 frames.

56 46 V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Mapeo de corrosión y erosión. A continuación se tienen los resultados para las secciones de tuberías inspeccionadas, clasificadas por la curvatura de su superficie de inspección, y para la probeta plana soldada con discontinuidades en el cordón Inspección de tuberías desde la superficie convexa o cara externa. Los resultados obtenidos para las secciones tubulares cilíndricas inspeccionadas desde la cara exterior se corrigieron por medio de la opción Amend Curvature del µmap. La corrección se basa en adecuar la imagen resultante en función de las dimensiones de la tubería, la orientación del flujo y la posición de la cámara y del LED respecto a la pieza. En el Apéndice I, se especifica la determinación del perímetro de las secciones de tuberías, debido a que se desconocen los valores nominales del diámetro. Así, se genera una imagen aplanada de la sección que en realidad es curvada. En la Figura 5.1 se muestra el barrido de espesores resultante para la tubería Nº 1 en comparación directa con su superficie interna.

57 47 Figura 5.1. Mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº 1. Izq., imagen especular de la cara interna de la tubería. Der., imagen en presentación C Scan de la tubería junto con su mapa de colores por espesor. Los cortes de sección (B slices) a X = 66 mm, Y = 54 mm. De la comparación entre la imagen obtenida por µmap y la fotografía de la pieza de la Figura 5.1, se presentan 4 zonas que demuestran lo representativa que resulta la imagen C Scan. La zona a, marcada en ambas imágenes, presenta espesores cercanos al valor nominal de 11 mm, siendo esta una zona donde el metal sufrió menos pérdida a causa de la corrosión. La región identificada como zona b es una de las que presenta mayor pérdida de material y en la imagen C Scan se visualiza de color rojo con espesores cercanos a 6 mm. La zona c, es otro ejemplo de las regiones con espesores cercanos a los 6 mm, consecuencia de la pérdida de material por corrosión. Por otro lado, se presenta un corte longitudinal (B slice) de la tubería (X = 66 mm), siendo una sección caracterizada por muy bajos espesores que no superan los 7 mm. La Figura 5.2 muestra el mapeo de corrosión de la tubería convexa Nº 3, en la misma se realizó la correspondiente corrección por curvatura.

58 48 Figura 5.2. Mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº 3. Izq., imagen especular de la cara interna de la tubería. Der., presentación C Scan de la tubería junto con su mapa de colores por espesor. Los cortes de sección (B slices) a X = 64 mm, Y = 23 mm. En la Figura 5.2 se distinguen cuatro zonas características en base a las mediciones de espesor, desde las que se plantea un estudio comparativo que permite evidenciar la representatividad de las imágenes obtenidas mediante el mapeo de corrosión por el programa µmap. La zona a, muestra una región evidentemente corroída y cuyos valores de espesor están cercanos a los 5,8 mm, visualizándose en la imagen como una región roja que distingue los valores más bajos recolectados según la configuración de colores propuesta. La zona b, se considera la región más crítica de la sección inspeccionada, pues reporta los espesores más bajos con valores cercanos a 5,4 mm. La zona c, presenta espesores cercanos al valor nominal de la tubería, evidenciando una mínima pérdida de material debido a la corrosión. Y las zonas d, corresponden a surcos formados por pérdida de material sobre la cara interna de la tubería en el sentido del flujo.

59 49 Debido a la naturaleza del ensayo, el programa no permite determinar el tipo de proceso de degradación al que fueron sometidas las piezas, pero si muestra de manera muy representativa los efectos producidos por la corrosión y erosión en las tuberías. [9] En el caso de la sección de tubería Nº 1 perteneciente a una tubería de producción, podría haber transportado un fluido que presentaba especies de H 2 S y CO 2, que son productos muy usuales en tuberías de transporte de petróleo y sus derivados. La corrosión por erosión pudo ocasionar en esta tubería la aparición de picaduras, que en presencia de las especies agresivas mencionadas crean una atmosfera autocatalítica que promueve la rápida disolución del metal. En la zona a de la Figura 5.1, se presentan un grupo de picaduras que pueden estas asociadas al mecanismo planteado, que al crecer comprometan la integridad mecánica de la pieza. [13,14] En las zonas b y c se evidencia el crecimiento de estas picaduras de forma superficial, siendo el área de crecimiento más grande que la profunda alcanzada. [17] Posiblemente, la corrosión apareció por medio de picaduras que se extendieron hasta converger, formando grandes áreas donde la disminución del espesor es muy apreciable (las mismas zonas b y c). Adicionalmente, se esperaría encontrar productos de corrosión de color negro o marrón oscuro característicos de la presencia H 2 S y CO 2, pero es posible que fueran en su mayoría arrastrados por el flujo constante de la tubería. [13] La tubería Nº 2 es de un acero de baja aleación y alta resistencia relacionada a equipos o tubería presente en refinerías. La distribución direccional que presenta la tubería en forma de líneas rectas, mostradas en d en la Figura 5.2, implica que el proceso de corrosión estuvo influenciado por el flujo de corriente. Mientras que las zonas severamente afectas a y b de la Figura 5.2, podrían estar relacionadas a fenómenos de corrosión ácida. [13,15,16] También, es probable que las zonas a y b inicialmente resultarán de mecanismos de corrosión por picaduras y que debido a la erosión y transporte de especies del fluido apareciera la linealidad característica mostrada como zona d. [13] Inspección de tubería desde la superficie cóncava o cara interna. La tubería Nº 2 presenta pérdida del material base debido a procesos corrosivos en su cara externa, con lo cual se propuso un mapeo de la pieza utilizando la cara interna o cara cóncava como superficie de inspección. Para este caso no fue posible la corrección de la imagen debido a

60 50 la curvatura mediante la opción Amend Curvature del programa, porque no está disponible para superficies de inspección cóncavas. En las inspecciones de campo, utilizando esta técnica, se examinará la tubería desde la cara externa mientras su parte interna estará en contacto con algún fluido, entonces es razonable que la opción de corrección por curvatura no se encuentre disponible para superficies cóncavas en mapeo de corrosión por ultrasonido. A continuación se muestra la imagen correspondiente en presentación C Scan de la superficie de la tubería Nº 2. Figura 5.3. Mapeo de corrosión y erosión para la Tubería Nº 2. Superior, imagen especular de la cara interna de la tubería. Inferior, Imagen en presentación C Scan de la tubería junto con su mapa de colores por espesor. Cortes de sección (B slices) a X = 70 mm, Y = 51 mm.

61 51 A fin de comprobar la representatividad de las imágenes obtenidas mediante µmap, se comparan la superficie real de la pieza y la imagen C Scan del programa a través de las zonas a, b y las indicadas con flechas, todas presentes en la Figura 5.3 anterior. Las diferentes zonas identificadas como a, son regiones con una alta degradación en base a los valores de espesores que varían entre 5,58 y 3,78 mm aproximadamente. Sin embargo, la región con mayor pérdida de material por degradación corrosiva es la identificada como zona b, que presenta valores de espesor cercanos a los 3,30 mm. Adicionalmente, se indican (con flechas) zonas características que demuestran la similitud entre la imagen C scan de la tubería y la superficie real de la misma. Es de destacar que el tipo de corrosión que se observa en la tubería Nº 2 es del tipo no uniforme, producto del contacto con el suelo, siendo esta una tubería enterrada sin adecuada protección catódica. Ciertos factores corrosivos del suelo, tales como sales disueltas, humedad y acidez, pudieron intervenir en la aparición de las picaduras presentes en las zonas a y b de la Figura 5.3. El crecimiento uniforme de las picaduras, que se aprecia en la misma figura, es muy característico de suelos aireados. [15,16] En conclusión, se pudo determinar y verificar a través del programa µmap, su capacidad al revelar con gran resolución y sensibilidad morfologías procedentes de diferentes procesos de degradación, como corrosión y erosión Inspección de cordón de soldadura con discontinuidades. A fin de resaltar los niveles de resolución y sensibilidad obtenidos en el µmap se evaluó un cordón de soldadura con el propósito de obtener una imagen en presentación C Scan de las discontinuidades presentes. Basándose en el principio de medición de espesores por reflexión, el haz ultrasónico viaja a través de la superficie de inspección y se refleja en la cara de la discontinuidad. El espesor obtenido, resultado de la Ecuación 3.17, corresponde a la profundidad de dicha discontinuidad en el cordón de soldadura. En la Figura 5.4, se muestran las dos discontinuidades presentes en el cordón de soldadura, correspondiente a la probeta PL1411.

62 52 Figura 5.4. Mapeo para la probeta plana con soldadura PL1411. Se tiene la imagen en presentación C scan de la probeta plana junto con su mapa de colores por espesor y los cortes de sección (B slices) a X = 41 mm, Y = 31 mm. En la Figura 5.4, se visualizan 3 zonas en la imagen C Scan de la probeta plana soldada. La zona a, se caracteriza por ser la discontinuidad del cordón que está más cercana a la superficie de inspección, por ello tiene el color rojo de la paleta de colores correspondiente a los 8,45 mm. La zona b, es la segunda discontinuidad ubicada a una mayor profundidad de la superficie de inspección, con 19 mm y representada por el color verde. Por otro lado, se destaca la región c, en color azul, el espesor nominal de la probeta correspondiente a los 25,70 mm. La detección de las discontinuidades mediante esta técnica de medición por ultrasonido comprueba que puede ser utilizada tanto para el mapeo de corrosión y erosión de secciones críticas, como en la inspección secciones donde se sospeche la presencia de discontinuidades Imágenes en tres dimensiones (3D). El programa µmap también permite la visualización en imágenes 3D de todas las secciones inspeccionadas, como se muestran en la Figura 5.5 para todas las piezas empleadas en el mapeo de corrosión y erosión.

63 53 Figura 5.5. Mapeo de corrosión y erosión sobre tuberías y una probeta plana con soldadura junto con cortes de sección. A) Tubería N 1. B) Tubería N 3. C) Tubería N 2. D) Probeta plana PL1411. La Figura 5.5, permite revelar la apariencia de la superficie donde se produce la reflexión del haz, pues la cara opuesta de una pieza en una inspección de campo podría estar físicamente inaccesible. Si estuvieran en servicio las tuberías inspeccionadas desde la cara externa (N 1 y 3), presente en las Figuras 5.5.a y 5.5.b respectivamente, la superficie de reflexión estaría en la cara interior que está en contacto con el fluido transportado. La cara interna sería inaccesible, haciendo a las imágenes tridimensionales una gran guía para conocer la apariencia de la superficie desgastada. Sin embargo, la tubería inspeccionada desde la superficie interna (N 2), mostrada en la Figura 5.5.c, sería imposible en servicio porque la cara interna estaría en contacto con el fluido de transporte. La apariencia de la probeta plana con soldadura en la Figura 5.5.d es producto de las reflexiones del haz sobre las discontinuidades que posee el cordón, mostrando una superficie aparente con dos socavaciones. Si bien el material tiene continuidad en toda su extensión, la incidencia del haz de manera normal no permite irradiar las zonas sucesivas a las discontinuidades, considerándose puntos ciegos para el ensayo debido a su naturaleza de medición de espesores.

64 Evaluación con TOFD. La aplicación de la técnica TOFD en las cuatro planchas con cordones de soldaduras y discontinuidades conocidas, permitió evaluar o estudiar el efecto de las características del palpador tales como la frecuencia y el diámetro, así como el ángulo de refracción de las zapatas. La variación de dichas características muestra una marcada diferencia en las imágenes B Scans resultantes, tanto en el nivel de resolución hasta en el sector del cordón que mejor se representa Influencia del ángulo de refracción del haz debido a las zapatas. Para dicho estudio se utilizaron configuraciones con ángulos de refracción del haz de 45, 60 y 70 grados para las ondas longitudinales, correspondiente a ángulos nominales recomendados. [11] Mientras que la frecuencia y diámetro del palpador se mantuvieron constantes, a fin de determinar la mejor configuración en base a resolución y sensibilidad. Según la expresión que norma en la Ecuación 3.18, la distancia S se relaciona al espesor t y el ángulo de refracción α. Como el espesor está definido (t = 1"), entonces la distancia entre los palpadores dependerá solo del ángulo de refracción. En la Tabla 5.1 siguiente se muestran las distancias utilizadas. Tabla 5.1. Separación entre palpadores para cada ángulo de refracción utilizado para el arreglo TANDEM. α (grados) Probeta PL1411 Otras Todas Todas S (mm) Otras se refieren a las probetas PL1409, PL1410 y PL Adecuada distancia entre los palpadores. La distancia determinada por la Ecuación 3.18 se considera como la más adecuada a la que deben colocarse los palpadores en el montaje TANDEM. Por otro lado, según la ley de Snell o de acuerdo a la Ecuación 3.14 se determinan los ángulos de refracción a la salida de las zapatas y la divergencia del haz, así como la cobertura del haz por medio de la Ecuación En la

65 55 Figura 5.6, se muestra esquemáticamente la cobertura del haz ultrasónico dentro de las piezas para cada ángulo propuesto, y se comparan, a fin de determinar la influencia de dicho ángulo con las imágenes B scans resultantes de la aplicación de la técnica. Figura 5.6. Superior, esquemas del haz con el área efectiva de cobertura (verde). Inferior, B Scan resultantes de la técnica TOFD. Montaje TANDEM de palpadores de 6 mm y 5 MHz con zapatas de 45, 60 y 70⁰ en probeta PL1411. Tx es emisor, Rx es receptor, S es la separación entre los palpadores y C L es la línea central del condón de soldadura. Los esquemas del haz de la Figura 5.6.a, 5.6.b y 5.6.c que corresponden a los arreglos con ángulos de 45, 60 y 70 grados, presentan una zona verde, delimitada por la divergencia del haz, que indican el área efectiva de cobertura que tienen las ondas longitudinales dentro de la pieza. Para el arreglo con el ángulo de 45º el área de cobertura de las ondas longitudinales está orientada hacia la raíz del cordón de soldadura en la pieza de 1" de espesor. Sin embargo, para un ángulo de 60º el área se enfoca hacia una zona más central del cordón, mientras que para 70º la cobertura de las ondas longitudinales se sitúa más hacia la superficie o cresta de la soldadura. En base a estos resultados, a mayor valor del ángulo de refracción del haz, en el material se tendrá un área

66 56 de cobertura más enfocada hacia la superficie de inspección, mientras que para ángulos menores el efecto será contrario, enfocando el haz hacia el fondo de la pieza. Esta relación ángulo cobertura puede generalizarse, siendo aplicable para todos los casos pues, geométricamente, la expresión de la Ecuación 3.18 relaciona el ángulo de refracción, el espesor de la pieza y la separación de los palpadores. En las Figuras 5.6.d, 5.6.e, y 5.6.f se muestra el resultado de la relación entre el enfoque del haz y el ángulo de refracción. La Figura 5.6.d, correspondiente a la inspección con el ángulo de 45º presenta un eco de fondo muy definido debido al enfoque orientado hacia el espesor de la pieza, tal como se muestra en el esquema de la Figura 5.6.a, presentando una pérdida casi total de la onda lateral. Por su parte, la inspección con 60º (Figura 5.6.b) presenta una cobertura más adecuada, pues se definen tanto el eco de fondo como la onda lateral. Así mismo, la Figura 5.6.e presenta una resolución más adecuada del espesor del material, lo que permite una mayor detección de las discontinuidades presentes en la pieza, logrando así una aceptable resolución manteniendo una adecuada cobertura del haz ultrasónico. [11,17] Por último, el enfoque obtenido para 70º, véase Figura 5.6.f, es demasiado cercano a la superficie y produce una pérdida parcial del eco de fondo, aunque así se observa una onda lateral bien definida. En términos de resolución de las imágenes, esta dependerá de la habilidad para determinar la presencia de discontinuidades cercanas al eco de fondo y a la onda lateral. [11] Es decir, la resolución se considerará adecuada mientras el nivel de sensibilidad permita la detección de pequeñas discontinuidades, así como diferenciarlas entre sí, del eco de fondo y de la onda lateral. La Figura 5.7 propone una comparación entre la sensibilidad y resolución de cada uno de los ángulos utilizados en término de las discontinuidades cercanas al eco de fondo y la onda lateral.

67 57 Figura 5.7. Imágenes B Scan para zapatas con ángulos de 45, 60 y 70 grados. Superior, B Scan de la probeta PL1409. Inferior, B Scan de la probeta PL1412. Montaje TANDEM de 6 mm y 5 MHz. Para discontinuidades cercanas a la superficie de la muestra, se debe obtener una imagen que permita diferenciar dichas discontinuidades con la onda lateral o onda que viaja superficialmente. Las Figuras 5.7.a, 5.7.b y 5.7.c muestran los resultados obtenidos con los ángulos de 45, 60 y 70 grados, respectivamente. Para el ángulo de 45º (Figura 5.7.a), se presenta un enfoque tan orientado al fondo de la pieza que la discontinuidad señalada es casi indetectable, junto a una tenue onda lateral sin diferenciación. La Figura 5.7.b correspondiente al ángulo de 60º, muestra que la discontinuidad señalada se aprecia considerablemente y se diferencia claramente de la onda lateral. Para los 70º (Figura 5.7.c) se contempla una diferencia entre la onda lateral y la discontinuidad señalada, pero con una menor resolución a la obtenida con el ángulo de 60º.

68 58 Ahora, en la Figura 5.7.d, 5.7.e y 5.7.f se muestra una discontinuidad (señalada) que se ubica en las cercanías del eco de fondo, dicha discontinuidad se trata de un exceso de penetración en la raíz de la soldadura y se presenta en la Figura A.6 del Anexo A. En las imágenes B scan obtenidas por TOFD, el exceso de penetración se ubica luego del eco de fondo. Utilizándose el ángulo de 45º (Figura 5.7.d), se observa que es posible diferenciar la señal correspondiente a la discontinuidad con un eco de fondo que aparece distorsionado, lo que muestra una alta sensibilidad y resolución hacia el eco de fondo. Un comportamiento similar se observa en la Figura B.1 del Anexo B, lo que posiblemente se deba al aumento en la separación entre los palpadores a 54 mm, por razones geométricas del ensayo. En cuanto al ángulo de 60º presente en la Figura 5.7.e, se considera el arreglo de mayor resolución en base a que muestra una discontinuidad (señalada) y un eco de fondo definidos y diferenciados entre sí, junto con la existencia de una señal de onda lateral igualmente definida. Por último, para el arreglo de 70º (Figura 5.7.f), se muestra una desaparición casi total de la señal de la discontinuidad. En concordancia con la relación de ángulo cobertura propuesta, las imágenes obtenidas con arreglo angular de 45º, Figura 5.6.d, 5.7.a y 5.7.d, mostraron una mejor representación al final del espesor de la pieza o en la raíz del cordón de la soldadura. Las imágenes a 60º, Figura 5.6.e, 5.7.b y 5.7.e, presentaron la mejor resolución y sensibilidad en todo el espesor del material (t = 1"), en base a una mejor definición de las señales de las discontinuidades, junto con una diferenciación de dichas señales, dependiendo del caso, tanto con el eco de fondo como con la onda lateral. En conformidad con lo planteado, los estándares británicos consideran que es usual encontrar la máxima eficiencia para ángulos entre 55º y 65º, con una variación de ±5º, excluyendo los efectos de la atenuación del ultrasonido en el material. [11] Para los arreglos de 70º, Figura 5.6.f, 5.7.c y 5.7.f, se muestra que el enfoque permitió detallar la región cercana a la superficie de inspección, presentándose una onda lateral bien definida. Aunque, no se recomiendan utilizar ángulos mayores a 70º, pues plantea una intensidad de onda lateral que puede ser inapropiada para el análisis de los resultados. [11] En base a lo anterior, se proponen configuraciones con ángulo de 60º para una completa representación del espesor de la pieza obteniendo una mayor resolución y sensibilidad. Sin embargo, puede plantearse el uso de ángulos de 45 y 70 grados en otras aplicaciones que

69 59 involucren inspecciones cercanas a la superficie de barrido y el fondo de la pieza, respectivamente Distancia entre los palpadores superior a la recomendada. Otro aspecto a considerar es los efectos contrarios a la resolución causados por la separación de los palpadores. Si se varía dicha separación, sin considerar el criterio de la Ecuación 3.18, se puede obtener una mayor resolución dependiendo del caso. Evidentemente, alejar los palpadores enfocará el haz hacia el fondo de la pieza, es decir, aumentará la detectabilidad de discontinuidad cercanas al eco de fondo. [11] Disminuir la distancia producirá el efecto contrario, proyectando el haz con mayor incidencia sobre la superficie del material, aumentando la intensidad y la sensibilidad en la onda lateral. [11] También, la separación de los palpadores puede estar influenciada por efecto de la geometría de la pieza, por ejemplo, si se presenta un cordón de soldadura que es transversalmente más amplio que la distancia normalizada entre los palpadores, se deberá aumentar la separación entre los palpadores en el arreglo TANDEM para llevar a cabo la inspección de dicho cordón. A continuación, en la Figura 5.8, se muestran dos imágenes obtenidas con una distancia entre los palpadores mayor a la recomendada por la Ecuación [11,12] Figura 5.8. Imágenes B Scan obtenidas para una separación entre los palpadores de 54mm (norma: 33mm) con palpadores de 12 mm y 10 MHz y zapatas de 45º. Izquierda, probeta PL1410. Derecha, probeta PL1412.

70 60 De acuerdo a la evaluación realizada se puede utilizar un espaciamiento entre palpadores mayor al recomendado por la norma, esto permite aumentar la resolución de las imágenes resultantes, tal como se observa en la Figura 5.8.a en el caso de una falta de fusión en la raíz del cordón y en la Figura 5.8.b para un exceso de penetración, ambos ubicados hacia el eco de fondo. Las imágenes permiten apreciar con gran detalle la ubicación de las discontinuidades, diferenciándolas del eco de fondo, lo que permitiría una medición y caracterización muy precisa de los defectos de la soldadura en esta área de interés. [11,17] Sin embargo, se considera que la onda lateral y parte del espesor quedarán dentro de una zona muerta, pues no existe enfoque del haz debido a falta de divergencia y alejamiento de los palpadores, donde la de detección es nula. Entonces, para garantizar una adecuada cobertura con más de un barrido, será necesario inspeccionar el mismo tramo utilizando más de una separación entre palpadores. [11] Influencia de la frecuencia de los palpadores. En la selección de la frecuencia del palpador se busca obtener la máxima precisión, esencialmente, teniendo la mejor resolución en tiempo. En evaluaciones con TOFD se propone aumentar la frecuencia en casos que se necesite mejorar la resolución. [11] La Ecuación 3.1 expone que a mayor frecuencia menor será la longitud de onda, siendo esta última el parámetro determinante en la detección de pequeñas discontinuidades. La precisión en resolución y la sensibilidad del ensayo también dependen de la longitud de onda, que se deriva de la frecuencia del palpador utilizada en el ensayo ultrasónico y la velocidad del material inspeccionado. [8] Sin embargo, no se puede descartar el aumento en la atenuación que producen las frecuencias más altas, haciendo en muchos casos imposible la inspección debido al ruido en la señal y la falta de penetración de la onda, que se traducen en una disminución de la resolución de las imágenes resultantes. A continuación, en la Figura 5.9, muestran las señales A Scan y las bandas de las imágenes B Scan que se obtuvieron a las frecuencias empleadas en los ensayos por TOFD.

71 61 Figura 5.9. A Scan y bandas del B Scan para las frecuencias utilizadas. Arreglo de zapatas de 60º y palpadores de 6mm sobre probeta PL1409. OL es corresponde a la onda lateral y BW es el eco de fondo. El eco de fondo, tal como se había planteado anteriormente, se obtiene por reflexión de la onda incidente sobre la superficie interna donde se encuentra la raíz de la soldadura. Así, la Ecuación 3.11 determinará la fracción del haz incidente que es reflejado (eco de fondo), suponiendo que la impedancia acústica es constante según la Ecuación 3.2, que será igual para todos los casos, pues se tratan de los mismos medios de interacción (acero y aire). Sin embargo, la intensidad del haz reflejado es directamente proporcional a la presión acústica, por lo que no será la misma para todos los casos; se espera que a mayor frecuencia, mayor sea la intensidad de la onda reflejada. Evidentemente, esto no se cumple a cabalidad y se debe, principalmente, a los efectos de atenuación de la onda que se producen en el material, que son más notables a mayores frecuencias. Por ello, se considera válido verificar los efectos de la atenuación por comparación de la amplitud de la onda lateral y el eco de fondo. [11,12] La Figura 5.9 permite las comparaciones entre las frecuencias utilizadas considerando los efectos de la atenuación y los niveles de resolución obtenidos para cada caso. Para 2 MHz se tiene un A scan con oscilaciones bien definidas, la onda lateral supera el 40% de amplitud y el eco de fondo está muy cercano al 100%, pero sus pocas oscilaciones produce un B scan con bandas muy anchas que se traducen en un resolución baja. Para 5 MHz el A scan está igualmente definido con una onda lateral al 40% de la pantalla y un eco de fondo al 100%, presentando varias oscilaciones que le dan a la imagen B scan una adecuada resolución. Para 10MHz los

72 62 niveles de resolución de la onda lateral y eco de fondo son muy similares a 5 MHz, sin embargo en la pantalla A scan comienzan a notarse los efectos de la atenuación, debidos al aumento de la frecuencia, donde la onda lateral se muestra por debajo del 40% y el eco de fondo no alcanza el 100%. A los 15 MHz el efecto atenuante es más crítico, con una onda lateral casi imperceptible (>10%) y un eco de fondo al 50% de la pantalla A Scan, que produce un B Scan con un nivel de resolución tan bajo que pierde toda precisión la técnica. Por otra parte, la resolución en tiempo depende fuertemente de la longitud del campo cercano y la divergencia del haz. Por ello, se pretende evaluar a través de la frecuencia los cambios del haz en términos de divergencia y longitud del campo cercano, y como se relacionan con la resolución y sensibilidad de las imágenes B scan obtenidas con la técnica de TOFD. Por lo tanto, la selección de la frecuencia se basa en obtener una longitud de campo cercano que establezca una zona muerta de TOFD que permita una detectabilidad adecuada, junto con una divergencia que presente una amplia cobertura de haz en el volumen del material. Todo esto sin comprometer la resolución y la sensibilidad de las imágenes. En la Tabla 5.2 se muestran los valores de longitud del campo cercano y divergencia del haz para un espesor de una pulgada, obtenidos por medio de la Ecuación 3.15 y 3.16 respectivamente. Tabla 5.2. Longitud de campo cercano y ángulo de divergencia para las frecuencias y diámetros ensayados. Las frecuencias que destacan con la longitud de campo cercano más pequeño y la divergencia más amplia, son 2 y 5 MHz con un palpador de 6 mm de diámetro y 2 MHz con un palpador de 12 mm de diámetro. Los valores de longitud de campo cercano superiores a los 15 mm se consideran inapropiados, pues superan el rango de longitud de la zapata. Mientras que las divergencias menores a los 12 presentan una cobertura del haz muy reducida, creando una

73 63 considerable zona muerta de TOFD por debajo de la superficie de inspección. En la Figura 5.10 se muestra el comportamiento de la cobertura del haz obtenidas para palpadores de 2 y 5 MHz de frecuencia. Figura Esquemas de cobertura del haz ultrasónico para palpadores de 2 y 5 MHz de frecuencia. Los palpadores Tx y Rx son el emisor y receptor, respectivamente, S es la separación entre los palpadores y C L es la línea central de la soldadura (center line). Con respecto a la cobertura, su disminución se produce debido a que el aumento de la frecuencia causa una caída en la divergencia del haz. Las frecuencias bajas (por debajo de los 10 MHz) garantizan una mayor cobertura en el volumen del material, mientras que altas frecuencias (iguales o mayores a 10 MHz) tienen menor área de cobertura y focalizan el haz hacia el interior de la pieza. Adicionalmente, las altas frecuencias generan una zona muerta de TOFD superior sobre las cercanías a la superficie de inspección. La Figura 5.10.a correspondiente a los 2 MHz de frecuencia, presenta la mayor cobertura o área efectiva de detectabilidad de las ondas longitudinales dentro del volumen de la pieza. La frecuencia de 5 MHz (en la Figura 5.10.b) muestra una área de cobertura más pequeña y enfocada hacia el interior de la probeta plana. El focalizado de las frecuencias altas permite inspecciones en acero que sean cercanas a la superficie de barrido, empleando palpadores de 10 MHz y 70, se garanticen imágenes con resolución y sensibilidad muy precisas sin verse afectas significativamente por fenómenos de atenuación. Este montaje de palpadores de 10 MHz y 70 es muy recomendado en evaluaciones de piezas de acero

74 64 con espesor menor o igual a ½ pulgada. A continuación, en la Figura 5.11 se presentan las imágenes B Scan obtenidas para las frecuencias de 2 y 5 MHz. [12] Figura Imágenes B Scan de la técnica de TOFD para palpadores de 2 y 5 MHz. Montaje TANDEM con palpadores de 6 mm y zapatas de 60º sobre la probeta PL1410. La Figura 5.11.a muestra que los niveles de resolución para la frecuencia de 2 MHz, siguiendo el mismo montaje TANDEM, no resultan tan adecuada en términos de precisión y sensibilidad. Sabiendo, que si las discontinuidades no se encuentran bien definidas, en términos de resolución, su medición y caracterización son imposibles de manera precisa. [11] Se observa, en la misma figura, que las discontinuidades señaladas son en toda su extensión borrosas, haciendo imposible su medición; la onda lateral es muy intensa y ancha, disminuyendo la detectabilidad y resolución de las discontinuidades cercanas a ella, como la grieta que se señala en la parte superior de la imagen. De manera similar ocurre para el eco de fondo, se presenta muy ancho y con poca resolución donde no se pueden diferenciar discontinuidades cercanas y en algunos casos no detectarlas debido a una baja sensibilidad asociada. El exceso de penetración señalado en la parte inferior de la Figura 5.11.a no solo no se muestra bien definido, sino que se presenta borroso debido a pérdidas en la intensidad del haz por reflexión en el fondo de la pieza. En el caso de los 5 MHz de frecuencia, la Figura 5.11.b presenta que las discontinuidades señaladas

75 65 poseen una buena definición en toda su extensión, se diferencian de la onda lateral y del eco de fondo, permitiendo su medición precisa y caracterización. En definitiva, la frecuencia de 5 MHz resulta la frecuencia más apropiada de las ensayadas para una pulgada de espesor en acero al carbono, como lo demuestra los niveles de resolución y sensibilidad que muestra la Figura 5.11.b. La longitud de onda del ensayo de 5 MHz, más pequeña que la longitud de onda de 2 MHz, permite definir las discontinuidades, la onda lateral y el eco de fondo, pues posee períodos de la onda más cortos que crean bandas en B Scan más compactas y, en consecuencia, imágenes más precisas del volumen de la pieza. Así, pueden ser ubicadas en el cordón de soldadura las discontinuidades y defectos, a fin de aplicar las reparaciones correspondientes, en equipos en fabricación o servicio Influencia del diámetro de los palpadores. Otro parámetro a evaluar es el diámetro del palpador, ya que influye en la longitud del campo cercano, la divergencia, cobertura del haz y, por lo tanto, en la sensibilidad y resolución de la técnica. Una vez determinado la frecuencia y configuración angular adecuadas para el montaje TANDEM, se evalúa la influencia sobre la técnica empleando diámetros de palpadores de 6 y 12 mm. En el caso de palpadores con 5 MHz de frecuencia y un diámetro de 6 mm se obtuvo una longitud de campo cercano de 8,5 mm y un ángulo de divergencia de 12,4º; mientras que para 12 mm el campo cercano llega hasta los 34,0 mm y la divergencia del haz es de 6,2º. Es posible descartar el uso de los 12 mm de diámetro en una inspección sobre todo el volumen del espesor de una pulgada porque la zona muerta de TOFD aumenta drásticamente con una longitud de campo cercano que supera ampliamente el rango de las zapatas. Adicionalmente, la Figura 5.12 ayuda a descartar el uso de palpadores de 12 mm, al compararse con el diámetro de 6 mm en términos de la cobertura del haz.

76 66 Figura Esquemas de cobertura del haz ultrasónico con palpadores de 6 y 12 mm de diámetro. Los palpadores Tx y Rx son el emisor y receptor, respectivamente, S es la separación entre los palpadores y C L es la línea central de la soldadura (center line) Derivado de los cálculos de la divergencia, se presentan las coberturas en las Figuras 5.12.a y 5.12.b correspondiente a los diámetros de 6 y 12 mm, respectivamente. Donde se confirma que el aumento del diámetro disminuye el área de cobertura dentro del espesor de una pulgada, con lo que la mejor cobertura la brinda el diámetro de 6 mm. Sin embargo, el diámetro del palpador será proporcional a la intensidad acústica disponible, siendo el palpador de 12 mm de diámetro el que garantiza mayor intensidad en las señales de reflexión y difracción en la aplicación de la técnica. [8,11] A continuación se muestran las imágenes B Scan obtenidas para los diámetros utilizados en los ensayos.

77 67 Figura Imágenes B Scan de la técnica de TOFD obtenidas con palpadores de 6 y 12 mm. Montaje TANDEM con palpadores de 5 MHz y zapatas de 60º. Superior, Imágenes B scan de la técnica de TOFD para PL1409. Inferior, Imágenes B scan para PL1411. En la Figura 5.13 se observa como el palpador de 12 mm muestra una imagen con máximos y mínimos de la señal (blancos y negros, respectivamente) más intensos, como la Figura 5.13.b que presenta una onda lateral y un eco de fondo que destaca en intensidad con

78 68 respecto a la Figura 5.13.a correspondiente al diámetro de 6 mm. Lo mismo sucede para la Figura 5.13.d en comparación con la Figura 5.13.c, obtenidos a diámetros de 12 y 6 mm, respectivamente. Los niveles de intensidad obtenidos con palpadores de 12 mm sugieren su uso en inspecciones de altos espesores, muy superiores al espesor de una pulgada utilizado en los ensayos, como lo sugiere la Tabla B.1 del Anexo B sobre parámetros recomendados en aceros para espesores superiores a 75 mm (3 pulgadas). No obstante, cuando se compara en términos de la resolución las imágenes obtenidas con palpadores a diferentes diámetros, es evidente la calidad lograda mediante el diámetro de 6 mm por encima de las imágenes correspondientes a los 12 mm de diámetro. En la Figura 5.13.a se señala una la falta de fusión cercana y bien diferenciada de la onda lateral, y una socavación igualmente diferenciada con el característico rompimiento del eco de fondo. Para la Figura 5.13.b de la misma pieza y diámetro de 12 mm, se señalan las mismas discontinuidades con una diferenciación más comprometida sobre una onda lateral y eco de fondo muy anchos, aumentando las zonas muertas de TOFD. Adicionalmente, en la Figura 5.13.c correspondiente al palpador de 6 mm de diámetro se muestra una grieta cercana y bien diferenciada a la onda lateral y un conjunto de porosidades en el espesor que disminuyen la intensidad del haz que se refleja en el eco de fondo. Mientras que para los 12 mm de diámetro (Figura 5.13.d), con un menor nivel de resolución, resulta en discontinuidades no diferenciadas de manera adecuada con una ancha onda longitudinal y un eco de fondo deformado Promedio de A Scan y ruido de la señal. Con el promedio de un mayor número de A Scan se puede mejorar la calidad de la señal de salida, en particular para señales débiles de TOFD. Aunque la mejora es solo posible cuando el ruido se presenta de manera aleatoria, porque el promedio de A scan disminuye los efectos de ruidosos en la señal resultante. Generalmente, se recomienda aumentar el promedio de la señal, si está disponible en el equipo, para mejorar los niveles de ruido. [11] Así, en señales débiles provenientes de inspecciones a 15 MHz de frecuencia se elevó el promedio de A scan de 16 frames a 128 frames para observar los efectos sobre la imagen B scan resultante, véase la Figura 5.14 a continuación.

79 69 Figura Imágenes B scan obtenidas para un promedio de señal de 16 y 128 frames. Superior, B scan de la técnica de TOFD para PL1409. Inferior, Imágenes B scan de la técnica de TOFD para PL1411. Montaje TANDEM con palpadores de 15 MHz, 6 mm y zapatas de 60º. En la Figura 5.14.a se tiene una borrosa imagen B Scan a 16 frames, característica de una baja ganancia de la señal de salida. Dicha ganancia debió ser controlada a causa del ruido que se presenta en la señal A Scan producto de la atenuación, específicamente fenómenos de absorción,

80 70 a 15 MHz de frecuencia. Al elevar el promedio de señales a 128 frames se obtiene la Figura 5.14.b que presenta no solo una mejor definición de las discontinuidades señalas, sino la intensificación de la onda lateral y el eco de fondo. Para la probeta PL1411 ocurre el mismo efecto de intensificación de las señales debido al aumento del promedio de A Scan. Teniendo en la Figura 5.14.c, logradas para 16 frames, señales débiles que derivan en una imagen borrosa; y la Figura 5.14.d, elaborada a 128 frames, señales más intensas que muestran discontinuidades, onda lateral y eco de fondo mucho más definidos. Así como el aumento del promedio de A Scan deriva en menores señales aleatorias de ruido, también se producirá un aumento de la resolución de las imágenes resultantes y en la sensibilidad de la técnica. Sin embargo, se justifica el uso de 16 frames para la inspección de piezas de acero al carbono con espesores de una pulgada con varias razones. Primeramente, las señales que se obtienen para frecuencias inferiores o iguales a 10 MHz se encuentran libres de ruidos y no se afectan con la atenuación en gran medida, obteniendo imágenes claras y de alta resolución. Segundo, con 128 frames los barridos tardarán 8 veces más tiempo, porque el equipo promedia a una velocidad constante las señales recibidas; esta tardanza resulta impráctica en inspecciones para equipos en servicio, líneas de fabricación o donde sea necesario realizar paradas planificadas de equipos en funcionamiento. Tercero, la demora utilizando 128 frames también tiene consecuencias en barridos manuales arrastrando un nivel de imprecisión superior que en barridos de 16 frames a causa de la baja velocidad con que el inspector debe mover el arreglo TANDEM.

81 71 VI. CONCLUSIONES. 1. La técnica de mapeo de corrosión y erosión permitió diferenciar y revelar con gran resolución y sensibilidad, las variaciones de espesor y las morfologías causadas por los efectos corrosivos y erosivos en las secciones de las tres tuberías inspeccionadas. 2. La tubería Nº 1 se presenta como una sección uniformemente desgastada por la corrosión. La tubería Nº 2 se muestra como una sección afectada por picaduras aleatoriamente. En la tubería Nº 3 dominan las marcas de erosión en la dirección del flujo. 3. Los espesores más críticos reportados fueron, para la tubería Nº 1 cercanos a los 6 mm, para la tubería Nº 2 de unos 3,30 mm y para la tubería Nº 3 de 5,4 mm. 4. La técnica de mapeo de corrosión permitió ubicar las dos discontinuidades presentes en la probeta plana, con profundidades de 8,45 y 19 mm, respectivamente. 5. Las imágenes en 3D de mapeo de corrosión confirman la representatividad que se puede alcanzar incluso si las tuberías se encontraran en servicio. 6. Se confirmó que la separación de los palpadores recomendada por los estándares británicos en TOFD permite obtener imágenes con mayor resolución y sensibilidad de las probetas soldadas de 25 mm (1") de espesor. El aumento de la separación crean una distorsión del eco de fondo en la imagen B Scan resultante. 7. Se obtuvo que la cobertura del haz de las ondas longitudinales para arreglos TANDEM con ángulos de 45 está orientada hacia la raíz del cordón de soldadura en la pieza de 1" de espesor, con ángulos de 60 se enfoca hacia una zona más central del cordón, y para 70 se sitúa hacia la superficie o cresta de la soldadura. 8. El arreglo angular de 60 resultó el más apropiado en base a resolución y sensibilidad para la detección de discontinuidades en todo el espesor de 25 mm (1") de las probetas soldadas, en comparación con los de 45 y Las frecuencias de 2 y 5 MHz muestran señales menos atenuadas en este tipo de material.

82 Los palpadores con 6 mm de diámetro y frecuencia de 2 y 5 MHz, y los palpadores de 12 mm y 5 MHz, aportan una cobertura suficiente en todo el espesor de la pieza y una menor zona muerta de TOFD. 11. Los palpadores de 5 MHz presentaron la mejor resolución y sensibilidad, mostrando imágenes más apropiadas con una buena definición de las discontinuidades, el eco de fondo y la onda lateral. 12. Comparando las imágenes B Scan obtenidas para los diámetros de palpador de 12 mm y 6 mm, este último presentó la cobertura más amplia en todo el espesor de 25 mm (1") de la plancha, así como la mejor resolución y sensibilidad en la detección de las discontinuidades. 13. Las imágenes B scan tomadas con arreglos TANDEM de 15 MHz, 60 y 6 mm a un promedio de A scan de 128 frames mostraron mayores niveles de resolución con respecto al mismo arreglos TANDEM tomadas a 16 frames. 14. Los promedios de 128 frames resultan imprácticos en inspecciones de campo debido a tiempos de barridos muy prolongados. 15. Los promedios de 16 frames resultan los más adecuados para la inspección de equipos y piezas en servicio o en líneas de fabricación con cortos tiempos de barrido. 16. El arreglo TANDEM recomendado según los resultados obtenidos para la inspección de planchas soldadas de acero al carbono con un espesor de 25 mm (1"), son zapatas de 60 de ángulo, y palpadores de 5 MHz de frecuencia y 6 mm de diámetro.

83 73 VII. RECOMENDACIONES. 1. Se recomienda el uso de un encoder o unidad motorizada para comparar los niveles de exactitud de los barridos manuales durante el ensayo de TOFD empleado para verificar los efectos de los promedios de A scan a 128 frames y 15 MHz de frecuencia. 2. Se recomienda utilizar probetas planas soldadas de diferentes espesores, a fin de determinar cómo influye la variación de los espesores en los parámetros del arreglo TANDEM (frecuencia, ángulo y diámetro). 3. También se recomienda realizar barridos a diferentes off set, utilizando un arreglo TANDEM de 5 MHz, 60 y 6 mm (frecuencia, ángulo y diámetro de los palpadores, respectivamente) en una probeta soldada de 25 mm. Esto permitiría establecer cómo influye la posición del arreglo durante los barridos en la sensibilidad de las imágenes obtenidas.

84 74 VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS. [1] MARTÍN, C.J.; GONZÁLEZ, R. (2007). ULTRASCOPE TOFD: un sistema compacto para la captura y procesamiento de imágenes TOFD. 4th Pan American Conference for NDT. October Buenos Aires. Argentina. [2] CARNEVAL, R.; MOREIRA, A. (2007). Uso das Técnicas de END: Ultra-som (TOFD e Phased Array), Radiografia, Partículas Magnéticas e ACFM na Avaliação de Juntas Soldadas com Trincas de Fadiga. 4th Pan American Conference for NDT. Buenos Aires. Argentina. [3] AWS. (2001). Welding Inspection Technology. Module 3: Metal joining & cutting processes. United States. Pp [4] AWS. (2001). Welding Inspection Technology. Module 9: Weld and base metal discontinuities. United States. Pp [5] ASNT. (1996). Nondestructive Testing Handbook. 2 nd Edition. American Society of Nondestructive Testing. United States. [6] RODRIGUEZ S., D. (1990). Introducción a los ensayos no destructivos. Módulo de Adiestramiento I. 1 era Edición. High Tech. Venezuela. [7] CALVO F., M. (1995). Ultrasonido para Nivel II. High Tech. Venezuela. [8] INTA (1999). Métodos de ensayos no destructivos por ultrasonido. Instituto de tecnología aeronáutico. España.

85 75 [9] VERITEC. (1994): Manual de operación del equipo de inspección µ+. Sonomatic Inspecctions. London. England. [10] ASTM STANDARDS. (2004). E797.2: Standard practice for measuring thickness by manual ultrasonic pulse-echo contact method. American Society for Testing and Materials International. United States. [11] BRITISH STANDARDS INSTITUTION. (1994). BS7706: Guide to Calibration and setting-up of ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technique for detection, location and sizing of flaws. British Standards Institution. England. [12] ASTM STANDARDS. (2004). E : Practice for use the ultrasonic time of flight diffraction (TOFD) technique. American Society for Testing and Materials International. United States. [13] ASM INTERNATIONAL. (2004). Corrosion. Volume 13A. American Society of Materials International. United States. [14] FONTANA, M. G. (1986). Corrosion Engineering. 3 rd Edition. McGraw-Hill. United States. [15] UHLIG, H. (1962). Corrosión y control de corrosión. URMOSA de Ediciones. Bilbao. España. Pp 25-28, [16] UHLIG, H. (2000). Corrosion Handbook. 2 nd Edition. John Wiley & Sons. United States. [17] ASME. (2001). Section V: Boiler and Pressure vessel code. Mandatory Appendix III and Non-Mandatory Appendix N. American Society of Mechanical Engineers. United States.

86 76 ANEXO A. Piezas y patrones inspeccionados. Figura A.1. Tubería N 1 expuesta a procesos corrosivos en su interior. Izq.: Superficie externa de inspección con el sistema coordenado utilizado. Der.: Superficie interna que ha sufrido pérdida de material mediante corrosión. Figura A.2. Tubería N 2 de gran diámetro expuesta a procesos corrosivos en su exterior. Izq.: Superficie interna de inspección. Der.: Superficie externa que ha sufrido picaduras por corrosión.

87 77 Figura A.3. Tubería N 3 de alto espesor expuesta a procesos corrosivos en su interior. Izq.: Superficie externa de inspección. Der.: Superficie interna que ha sufrido corrosión en toda su extensión. Figura A.4. Sistemas coordenados utilizados en las tuberías N 1 y 2 para su inspección mediante µmap.

88 78 Figura A.5. Superficies de barrido de las probetas con cordones de soldadura inspeccionadas mediante la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD). Figura A.6. Superficies internas de las probetas con cordones de soldadura inspeccionadas mediante la técnica de tiempo de vuelo de la onda difractada (TOFD). Algunos de los defectos del cordón se notan desde esta superficie.

89 79 ANEXO B. Material de apoyo para la técnica TOFD. Figura B.1. Imagen B scan obtenida por TOFD con una separación de palpadores muy amplia. [17] Tabla B.1. Parámetros de los palpadores (frecuencia y diámetro) y zapatas (ángulo) para la técnica de TOFD recomendados para espesor entre 75 mm (3 in) y 300 mm (12 in). [10]