Corrientes Inducidas en ensayos de tubos de acero inoxidable (AISI 409) con costura 2004 JOSE ROCA ACOSTA Y LARA 4.206.033-1 MARIO GONZÁLEZ JUNIO 2004 1
A ROCA ACOSTA Y LARA GLOSARIO OBJETIVO PG 3 RESUMEN PG 3 EQUIPO PG 4 VARIABLES DE OPERACIÓN PG 5 BOBINAS PG 7 SATURACION MAGNETICA PG 10 APARATOS ELECTRONICOS PG 11 SELECCIÓN DE EQUIPO Y CALIBRACIÓN PG 13 REFERENCIAS PG 16 JUNIO 2004 2
OBJETIVO: Realizar un procedimiento basado en la norma ASTM E 309-95 (2001) y el procedimiento de CINTER S.A. para el ensayo de tubos de acero ferromagnéticos (en este trabajo el AISI 409) utilizando corrientes inducidas y saturación magnética de las muestras. RESUMEN: En este trabajo se tocan los puntos mas relevantes en la elección de un procedimiento para el ensayo por corrientes inducidas de tubos de acero inoxidable (AISI 409). Alguno de estos temas son los relacionados con el equipo básico necesario para poder realizar este tipo de ensayo, que incluye las bobinas, los sistemas de saturación magnética, registro de datos, por ejemplo. Se recalca la importancia de uno u otro tipo de configuración de estos equipos para realizar satisfactoriamente Aquí también se incluye una breve reseña de los parámetros a tener en cuenta al momento de la selección de procedimiento, y como ellos desvían los resultados de manera de no solo saber cuales son los parámetros sino como ellos afectan directa e indirectamente los datos obtenidos. JUNIO 2004 3
EQUIPO: La norma trata los siguientes puntos respecto a los equipos a utilizar: 7.1 - Aparatos Electrónicos: estos deben ser capaces de energizar las bobinas y/o palpadores con corrientes alternas de una frecuencia elegida y ser capaces de detectar los cambios en la respuesta electromagnética de los censores. 7.2 Bobinas: Esta debe constar de uno o más arrollamientos de alambre alrededor de la muestra. 7.4 Sistema de saturación magnética: Este debe constar de un método adecuado de aplicación de un campo fuerte a la región de tubo adyacente a la bobina y/o palpador para aplacar la variación de permeabilidad magnética del material. 7.5 Movimiento: El movimiento de la muestra a través de la bobina y/o palpador debe ser realizada con una velocidad uniforme con un mínimo de vibración del tubo, bobina y/o palpador. 7.6 Patrones Estándar: El estándar usado en la calibración de la sensibilidad del equipo debe estar libre discontinuidades y debe estar fabricado de la misma aleación y dimensiones de los tubos a ensayar durante la producción. Debe ser suficientemente largo para permitir suficiente espacio entre las discontinuidades artificiales. Los cuales serán tratados posteriormente en el trabajo. JUNIO 2004 4
VARIABLES DE OPERACIÓN: A. Impedancia de la bobina B. Conductividad eléctrica del material C. Permeabilidad magnética del material D. Factor de llenado E. Efecto pelicular La impedancia de la bobina es determinada por la frecuencia utilizada en el ensayo y de la intensidad de las corrientes a través de ella, las cuales son afectadas por la muestra. Estas variables serán abordadas con mayor profundidad cuando se haga referencia a las bobinas en si, efecto pelicular y saturación magnética de la muestra. Los puntos B. y C. son parámetros que el operador no puede elegir puesto que son características del material a examinar, estos parámetros pueden tener efectos importantes sobre los resultados de los ensayos sino son considerados. El factor de llenado punto D. afecta al campo magnético en fuga, es el que no se acopla al material ensayado el cual afecta el voltaje en el circuito. En el punto E. lo que significa Efecto la disminución de la densidad de las corrientes inducidas en el material, las cuales son máximas en la superficie y decaen hacia el interior de la muestra. Este efecto es más notorio cuanto mayor es la frecuencia de alimentación de corriente del ensayo. JUNIO 2004 5
A ROCA ACOSTA Y LARA magnético variable de frecuencia elevada la distribución del campo En muestras cilíndricas la profundidad de penetración debe ser determinada de manera experimental, se ha determinado que para este tipo de muestras con bobinas envolventes la densidad de las corrientes inducidas en la superficie de la muestra son menores cuanto menor es la frecuencia y que para cualquier valor de estas la C.I. en el centro son nulas. Por esta razón hay que realizar un calculo de profundidad de penetración, para determinar una frecuencia adecuada de ensayo de manera de poder generar corrientes inducidas en toda la muestra (tubos en este caso) para detectar posibles discontinuidades en todo el espesor de pared del tubo. Una formula a utilizar es: d (mm) = 50 x [ 172,41 / ( f (Hz) x IACS ) ] ^ ½ Parámetros: - d (mm): profundización de la señal en milímetros para una reducción de la señal al 37%. - f (Hz.): frecuencia de regulación del equipo en Kilohertz. - IACS: conductividad del material respecto al cobre. Así por ejemplo para un espesor de pared de 2 mm y 2,9 IACS del AISI 409 la frecuencia a utilizar rondaría los 37 Khz. JUNIO 2004 6
Existen tablas para determinar estos parámetros para distintos materiales. Lo que se puede ver en la siguiente gráfica es la penetración efectiva en función de la frecuencia de operación para distintos materiales. No hay que perder de vista el hecho que un aumento en la frecuencia de ensayo produce un aumento de la reactancia de la bobina lo que se traduce en una ganancia en la sensibilidad del ensayo, por lo que hay que tomar una solución de compromiso para obtener el mejor resultado en profundidad y sensibilidad para detectar cambios en las variables a ensayar. BOBINAS Existen distintos tipos de bobinas que son idóneos para distintos tipos de ensayo ya que de su forma dependen los resultados obtenidos. Las bobinas mas utilizadas en el ensayo de tubos son las llamadas bobinas envolventes las cuales son arrollamientos de alambre (cobre generalmente) alrededor de una forma cilíndrica, estas bobinas utilizan a la muestra (tubo) como Además de existir varios tipos de bobinas existen diversas maneras de ensayar los tubos, estas son: - Control diferencial por auto compensación - Control diferencial por compensación con una muestra JUNIO 2004 7
Control diferencial por auto compensación Este método se utiliza generalmente para la detección de grietas en instalaciones automáticas, que operan por análisis de la modulación basándose en que la profundidad de una grieta varía sensiblemente de punto a punto a lo largo de la muestra. No ocurre lo mismo con las variaciones de permeabilidad magnética relativa, conductividad eléctrica o de dimensiones de la muestra puesto que sus variaciones son débiles punto a punto. Si la muestra es libre de discontinuidades o no existe muestra el voltaje en la bobina secundaria (Esec) será cero; la aparición de una grieta en la zona de la bobina secundaria trae aparejado un voltaje que será detectado por el equipo registrador. El empleo de dos bobinas secundarias diferenciales es para compensar las variaciones debidas a la permeabilidad relativa, conductividad eléctrica o dimensional. En consecuencia mediante este sistema se eliminan las señales de fondo debidas a efectos de tratamientos térmicos, variaciones dimensionales por ejemplo. Sin embargo para eliminar grandes variaciones de permeabilidad magnética relativa es necesario saturar la muestra, lo que se tratara más adelante. JUNIO 2004 8
Control diferencial por compensación con muestra patrón Este método es muy sensible y similar al a mencionado con la excepción como lo indica el nombre se usa una muestra patrón para la compensación. Presenta la ventaja de poder elegir el grado del efecto que se desea suprimir seleccionando la muestra patrón con las características adecuadas. Este tipo de geometría resulta idóneo para los problemas en los cuales las variables a ensayar son las propias del material como pueden ser la permeabilidad relativa, conductividad eléctrica; estas son comparadas con las de la muestra patrón. Este método por lo expuesto no es utilizado con frecuencia en la fabricación de tubos puesto que lo que se busca determinar es si existen discontinuidades creadas por el método de fabricación (por ejemplo defectos en la costura de la soldadura). Como se ve en la figura las bobinas secundarias están en oposición. Introduciendo en una de ellas la muestra patrón y en la otra las muestras a ensayar. Si son iguales el voltaje diferencial será nulo, si existe alguna diferencia esta se revelara por una diferencia de potencial la cual se registrara de una manera apropiada. Las bobinas deberán situarse a una distancia suficiente de manera de evitar influencias reciprocas. JUNIO 2004 9
JOSÉ MARÍA ROCA ACOSTA Y LARA SATURACION MAGNETICA Como se ha mencionado la variación de permeabilidad relativa de la muestra es un parámetro que afecta los resultados del ensayo. Cuando se utilizan bobinas envolventes para la inspección para detectar grietas o discontinuidades en materiales ferromagnéticos esta señal de fondo que afecta la calidad de las mediciones puede ser aplacada por el uso de una bobina extra alimentada por corriente continua. Esta bobina se denomina de saturación, esta permite obtener una permeabilidad magnética relativa del material los más estable posible (generalmente próxima a la unidad) posibilitando una mejor sensibilidad para la detección de continuidades al igual que en materiales no ferromagnético; a su vez permite una mayor penetración de las corrientes inducidas. JUNIO 2004 10
Hay que tener en cuenta que en algunos casos esta estabilización de este parámetro puede ser meramente aparente lo cual puede generar dispersión de los datos, por lo que se aconseja uestra para asegurar que el ruido (interferencia, la cual se refleja en los indicadores) es la menor. Falsa Saturación Ruido Saturación Magnetisación APARATOS ELECTRONICOS Además de proveer de corriente a las bobinas estos equipos deben registrar las variaciones magnéticas en los censores tarea primordial para poder detectar cambios en el material. Para poder cumplir con esta tarea los equipos de ensayo cuentan con accesorios de manera de poder reducir o eliminar las señales que son registradas pero que no son las que se quiere estudiar. Alguno de ellos son el control de fase, los filtros de señales y sistemas de alarmas por ejemplo. Control de Fase Una vez seleccionada la frecuencia de ensayo para obtener en el plano complejo de impedancia aparente con máximo poder de resolución, el selector de fase permitirá hacer coincidir la dirección JUNIO 2004 11
A ROCA ACOSTA Y LARA según la cual varia la señal de salida, como consecuencia de cambios en la variable a controlar, con la dirección de máxima sensibilidad del sistema de correspondido, por el contrario, la dirección insensible de dicho sistema a direcciones próximas a las que varia la señal de salida por cambios en variables que no desean controlarse. FILTROS Este tipo de accesorios se utiliza generalmente cuando se dispone de alarmas (auditivas o visuales (pintura sobre los tubos) para alertar sobre una variación apreciable) para evitar las falsas alarmas o sea si una variable intrascendente en el ensayo cambia repentinamente esta puede generar una señal que dispara las alarmas, lo que se puede evitar usando filtros pasa-baja, pasabanda o pasa-altas; los que atenúan las señales menos importantes a fin de evitar como ya se menciono las falsas alarmas. En la figura se explica mejor este sistema. JUNIO 2004 12
SELECCIÓN DE EQUIPO Y CALIBRACIÓN El equipo básico para realizar la inspección de discontinuidades del inoxidable AISI 409 (ferromagnético en forma de tubos) debe tener según lo expuesto en la norma y en el trabajo: - Equipamiento electrónico que sea capaz suministrar corriente alterna de una cierta intensidad, frecuencia y voltaje de manera de obtener una buena sensibilidad en el ensayo además de una profundidad de las corrientes inducidas de manera de poder examinar todo el espesor de pared. - Bobina de saturación, por la naturaleza de la muestra, para aplacar las variaciones de la permeabilidad magnética relativa. - Bobinas de ensayo, que según lo expuesto anteriormente debe ser del tipo de control diferencial por auto compensación, ya que se busca detectar grietas o discontinuidades del tubo. El diámetro de la bobina debe ser tal que la muestra quede centrada respecto a ella y que la luz entre ambas no sea mayor a 2mm de manera evitar las variaciones por el factor de llenado del cual se trato en las secciones anteriores. - Se pueden incluir sistemas de marcado (por medio de pinturas) de las zonas defectuosas o de registro visual en el display del equipo para poder seguir el desempeño del tubo a lo largo del ensayo. Luego del equipo lo que le sigue en importancia es el ajuste de parámetros de ensayo y la calibración de los equipos pues de esta calibración dependen todas las conclusiones que se puedan extraer del ensayo, una calibración mal hecha afecta de tal manera JUNIO 2004 13
A ROCA ACOSTA Y LARA los resultados que prácticamente seria lo mismo no hacer ningún ensayo; es por esta razón que la ASTM recalca en su norma la importancia de este procedimiento. Como ya se vio la frecuencia a utilizar estará entorno a los 37 Khz. para este acero, esta permite una profundidad de penetración la cual abarca todo el espesor del tubo. El voltaje en la bobina de saturación será aquel que reduzca el ruido en el registrador este varia según el material a ensayar, este oscila entre 20 y 24 volts para aceros inoxidables. Si existe una falta de saturación se puede aumentar ese valor, pero dicho aumento genera una mayor circulación de corriente la cual genera un mayor calentamiento por efecto Joule por lo que se recomienda que este por debajo de los 12 amperios. Patrones estándar, como menciona la norma en el punto 7.6 son unas discontinuidades artificiales de 3 tipos: grietas longitudinales (paralelas al eje), transversales y agujeros. Estos deben tener unas dimensiones las cuales están estipuladas en la norma o se pactan a priori con el consumidor. En el caso de la empresa CINTER S.A. producir estas discontinuidades en los tubos ya fabricados para su posterior análisis era dificultoso o imposible de lograr ya que las líneas de producción trabajan con una velocidad constante de conformado, esto es que la chapa alimentada por una bobina es soldada e inspeccionada con la misma velocidad. Esto es lo que dificulta el ensayo en el tubo ya formado puesto que no se puede alimentar con esa misma velocidad, lo que falsearía los resultados; por esta se procedió de la siguiente manera. En la chapa pre-conformada se procedió a crear 3 tipos de defectos los que representan el mayor número de posibles defectos encontrados en ese procedimiento, estas están separadas 300 mm entre ellas. Defecto 1) Falta de material superficie superior, se desgasta el borde superior de la chapa con un ángulo de 45 grados, de modo de JUNIO 2004 14
dejar un surco de 10 mm de ancho y desbastando hasta la mitad del espesor de la chapa. Defecto 2) Falta de material superficie inferior, se desgasta el borde inferior de la chapa con un ángulo de 45 grados, de modo de dejar un surco de 10 mm de ancho, desbastando hasta la mitad del espesor de la chapa. Defecto 3) Cuña pasante, se desgasta la chapa con un ángulo de 45 grados, en forma pasante, dejando en el borde una cuña, con una penetración igual al espesor de la chapa. Calibración del equipo de registro: Sensibilidad: Se debe de ajustar el valor de la sensibilidad de modo que los tres defectos sean detectados de modo que los defectos 1 y 2 sean detectados sin saturar y salirse de rango la señal en pantalla. El equipo siempre deberá se capaz de detectar el defecto tipo tres, en caso contrario no estará listo para su utilización para la inspección de la producción. Angulo de Fase: Se regulara el valor de la fase de modo que la señal de la detección del defecto tipo 3 esté orientada en forma vertical. Esto implicará que la señal tipo 1 esté girada 45 grados en sentido horario y del defecto 2, 45 grados anti-horario. JUNIO 2004 15
REFERENCIAS - NORMA E 309-95 (2001) DE LA ASTM. - CAPITULO 5, METODOS DE INDUCCION ELECTROMAGNETICA, CORRIENTES INDUCIDAS; INTA. - UTILIZACIÓN DE INSTRUMENTO EDDY CURRENT MAC_250; PROCEDIMIENTO DE CINTER S.A. - ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN TECNOLOGIA DE MATERIALES, JUAN N. BAEZ; BUENOS AIRES 1994 JUNIO 2004 16