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T T e e c c s s u u p p V V i i r r t t u u @ @ l l E E E n n n s s s a a a y y y o o o s s s n n n o o o d d d e e e s s s t t t r r r u u u c c c t t t i i i v v v o o o s s s p p p o o o r r r U U U l l l t t t r r r a a a s s s o o o n n n i i i d d d o o o Copyright © 2007 por TECSUP

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Copyright © 2007 por TECSUP

Ensayos no destructivos por Ultrasonido Tecsup Agosto 2007

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INDICE

1. Introducción ....................................................................................... 3 2. La cadena de detección ..................................................................... 4 3. Relaciones de frecuencia y longitud de onda ................................ 7 4. Comportamiento del sonido en materiales.................................. 11 5. Métodos de ensayo .......................................................................... 18

5.1. Método de resonancia ........................................................ 19 6. Palpadores ........................................................................................ 22

6.1. Palpadores de incidencia normal ..................................... 23 6.1.1. Palpador normal de cristal único (tipo e + r).........23 6.2. Palpadores de incidencia angular ........................26 6.2.1. Palpadores de cristal doble (tipo e – r) .................27

7. Calibración del sistema................................................................... 30 7.1. Sensibilidad del palpador.................................................. 34 7.2. Poder de resolución del palpador .................................... 34 7.3. Verificación de un transductor angular........................... 37

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1. INTRODUCCIÓN

Los ultrasonidos son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sonoras, diferenciándose de éstas en que su campo de frecuencia se encuentra por encima de la zona audible. En el espectro acústico se pueden distinguir las tres bandas siguientes: • Infrasónica

Frecuencia inferior a 16 ciclos / segundo o Hertz (Hz).

• Sónica (audible)

Frecuencias comprendidas entre 16 Hz y 20 kHz.

• Ultrasónica

Frecuencias superiores a los 20 kHz. El límite superior de frecuencia no está definido físicamente, dependiendo en la práctica de la posibilidad de su generación y recepción.

Como origen de este método de ensayo se puede considerar el conocido ensayo de percusión en el que la muestra se golpea con un martillo y el sonido emitido se percibe por el oído. Sin embargo, los primeros ensayos mediante ultrasonidos fueron aplicados por Sokolov, en 1929, para detectar la presencia de heterogeneidades, midiendo la caída de la intensidad acústica transmitida en el material cuando el haz de ultrasonidos atraviesa zonas del objeto examinado en la que existen heterogeneidades o defectos (método de transparencia). Posteriormente (Firestone, 1942), se aplicó el principio del “sonar”, de localización de buques y de medida de profundidades marinas, para la detección de heterogeneidades en los materiales mediante una señal reflejada (método de impulso-eco).

Las ondas ultrasónicas se propagan aprovechando las propiedades elásticas de los materiales y por ello requieren de la existencia de átomos y moléculas, es decir, a diferencia de las ondas electromagnéticas, no pueden propagarse en el vacío. Como los átomos distan bastante de ser esferas rígidas y elásticas, la propagación de la onda U.S., es un fenómeno complejo que requiere de profundos conocimientos de la física ondulatoria para comprenderlo en toda su magnitud sin embargo, para efecto de la utilización del fenómeno ultrasónico en la inspección de materiales, se han establecido modelos que permiten obtener una idea clara de él. A continuación desarrollaremos los conceptos físicos fundamentales en base a dichos modelos.

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Las ondas ultrasónicas se propagan en el interior de los materiales de diferentes formas dando origen a distintos tipos de ondas: longitudinales: transversales, de superficie de Lamb. Ya se había dicho como los ultrasonidos se propagan debido a la existencia de propiedades elásticas en los materiales.

Siempre que se ejerza un esfuerzo exterior sobre un material, éste se deformará, si el esfuerzo no sobrepasa cierto límite la deformación no será permanente sino elástica, la posición relativa de los átomos entre sí no cambiará. Cuando una onda ultrasónica llega a la superficie de un material deforma elásticamente un plano de átomo, el cual, a su vez transmite dicha deformación a los planos atómicos cercanos debido a las interacciones existentes. De esta forma la onda ultrasónica penetra y viaja en un cuerpo determinado. La energía presente en una onda ultrasónica crea el esfuerzo oscilatorio necesario para producir el movimiento del primer plano el cual, se transmite a los otros planos en el interior del material con una velocidad determinada propia de cada material.

2. LA CADENA DE DETECCIÓN

La cadena de detección para el ensayo impulso – Eco ultrasónico puede ser simplemente descrita como sigue: Un sonido ultrasónico va a recorrer una línea recta a velocidad constante que encuentre la interfase de un medio extraño. El sonido al chocar con un medio extraño va a reflejar de vuelta a su fuente de origen para su detección y análisis. Las frases claves son: • Recorrido en una línea recta a velocidad constante. • Interfase de medio extraño. • Reflexión de fondo a la fuente de origen. • Detección y análisis.

Cada frase juega un papel importante en la cadena de detección como sigue: • Recorrido en una línea recta a la velocidad constante nos

capacita a localizar la falla:

Conociendo:

• El ángulo de propagación y

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• Que el sonido recorre una línea recta la dirección del camino sónico puede ser determinado. Ver Fig. 5.1.

Figura 5.1

Conociendo:

• El tiempo de llegada del impulso y • La velocidad de traslación del sonido constante, la distancia

del camino sónico a la falla puede ser calculada usando la relación matemática.

Distancia = velocidad x tiempo

• o medido electrónicamente usando el tiempo base de un

detector de fallas ultrasónico. Ver fig. 5.2.

BASE DE TIEMPO

Fig. 5.2

• Interfase de un medio extraño se refiere al límite entre un medio homogéneo tal como acero dúctil y una falla tal como una inclusión de escoria o porosidad gaseosa. La condición para la reflexión de sonido es que la impedancia del medio del ensayo y la falla debe ser desiguales. Fig. 5.3.

9

Distancia

Localizacion

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Fig. 5.3

Si la falla fue una inclusión de un material similar acústicamente al medio del ensayo, el sonido pasa a través de la falla sin que la reflexión haya tenido lugar. Ver fig. 5.4.

Fig. 5.4

Afortunadamente defectos en estructuras metálicas son siempre acústicamente diferentes del medio de ensayo.

Reflexión del fondo a su fuente de origen es deseable pero no siempre posible. La trayectoria del pulso sónico debe pegar en los límites de la falla tan cerca de O°. Fig. 5.5.

0 °

Fig. 5.5

Para los poros de gases redondos e inclusiones de escoria irregulares, si la posición de la falla es normal a la trayectoria del sonido, permitirá al pulso retornar a su fuente de origen para ser detectada. Fig. 5.6.

Z1

Z2

Z1 , Z2 MUY DIFERENTES

Z1 Z1 = Z2

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Fig. 5.6

Pero una falla plana lisa, puede estar unos pocos grados fuera de la incidencia Oo y la trayectoria del sonido reflejado será redirigido fuera de la fuente de origen y pasar sin detectarlo. Fig. 5.7.

X

Fig. 5.7

• Detección y análisis, por el fenómeno piezo-eléctrico el pulso ultrasónico reflejado (energía mecánica se convierte en pulso eléctrico en la pantalla), en un tubo de rayos catódicos. Las características del pulso mostrado son:

• Amplitud del pulso. • Forma del pulso. • Dinámica del pulso con movimiento de sonda.

Provee el técnico de toda la información para:

• Localizar el defecto con gran exactitud. • Determinar las dimensiones del defecto. • Determinar el tipo de defecto.

3. RELACIONES DE FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA

Nuestra cadena de detección comienza con la producción de un pulso sónico. El transductor cristal ultrasónico va a oscilar por un corto período de tiempo, lo suficiente para mandar 4 ó 5 ondas mecánicas en series conocidas como pulso. Fig. 5.8.

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Fig. 5.8

Este pulso tiene : • Velocidad (V) • Frecuencia (F) • Longitud de onda (λ).

Estos tres factores están matemáticamente relacionados como sigue:

FV

La importancia de esta fórmula es la comprensión de la relación entre longitud de onda y frecuencia. Frecuencia: Es una función del grosor de cristal las frecuencias típicas son: • 1 MHz • 2.25 MHz • 4.0 MHz • 5.0 MHz • 10.0 MHz Diámetro: Está limitado por la frecuencia que se desea como regla general los transductores de baja frecuencia están confinados a diámetros de 0.5 “o mayor y usualmente 1.0”. Transductores de alta frecuencia están limitados a 0.5 de menor diámetro. Esto es debido a que el diámetro y la frecuencia juegan un papel muy importante en la física del haz y afectan.

• La longitud de la zona cercana. • La divergencia del haz.

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Para calcular la longitud de la zona cercana:

V4f.2DNZ =

Para calcular la “Divergencia del Haz”

fDVX22.1Sen =θ

La longitud de la onda cercana f2Dα

Y la divergencia del Haz α

fV

1

La combinación de un palpador de alta frecuencia de un diámetro amplio (10 MHz, 1.0”) produce una longitud de zona cercana que es larga e impráctica. Fig. 5.9.

Fig. 5.9

La combinación de un transductor chico (“1/ 4”) de baja frecuencia (1 a 2 MHz) produce una divergencia de haz que es grande y no práctica. Fig. 5.10.

Fig. 5.10

Área directamente proporcional a la energía del pulso

ALTA FRECUENCIA

DIAM. PEQUEÑO ANCHO DE DIVERGENCIA

DEL HAZ

BAJA FRECUENCIA

A N C H O

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Las tablas siguientes 1 y 2 muestran las longitudes de la zona cercana (tabla 1) y la divergencia del haz (tabla 2) para diferentes combinaciones de diámetro y frecuencia. El factor de control es la frecuencia. Una vez que determinamos la frecuencia por la selección del transductor y la velocidad y la consideración que la velocidad es constante, la longitud tendrá un valor. Usando la relación λ llene el espacio (con lápiz solamente). Un aumento de frecuencia resulta en una longitud de onda por lo tanto, la duración de pulso. Si usted empleó la palabra “más corto” o un término equivalente, usted comprende la relación de

frecuencia y longitud de onda.

¿Por qué es importante comprender esta relación? Siendo la frecuencia el factor del control longitudes de onda larga (1 a 2 MHz) dan: • Pobre penetración, pero buena resolución y sensibilidad.

Aplicaciones típicas de baja frecuencia (longitud de onda larga) para el impulso-eco de ensayo ultrasónico son: • Lingotes. • Barras. • Estructuras soldadas pesadas.

Aplicaciones típicas de alta frecuencia (longitud de onda corta) son:

• Pruebas de espesor en secciones finas. • Componentes aeronáuticos. • Estructuras livianas soldadas.

TABLA 1

Longitud de campo cercano standard

Diámetro 1 Mhz 2 Mhz 5 Mhz 10 Mhz

5 mm -- -- -- 11 mm 12 mm -- 12 mm 30 mm 61 mm 25 mm 26 mm 53 mm 132 mm --

Vf

XX

42D s/m5900V =

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TABLA 2

Haz de Divergencia standard

Diámetro 1 Mhz 2 Mhz 5 Mhz 10 Mhz

5 mm -- -- -- 8o 12 mm -- 17o 7o 3o 25 mm 17o 8o 3o --

fV

XX

D22.1

4. COMPORTAMIENTO DEL SONIDO EN MATERIALES

Impedancia acústica (ultrasónica) y reflexiones de energía. Otro importante parámetro en prueba de ultrasonido es la impedancia acústica de la prueba de los materiales. Cuando un haz de sonido choca contra la superficie de contacto entre dos materiales, no toda la energía es reflejada, pero una porción de ella pasa al segundo material. Este argumento es verdadero excepto para la superficie de contacto entre un sólido o un líquido y un gas, como el aire, en cuya superficie de contacto ocurre virtualmente el 100% de la reflexión. La cantidad de energía que pasa al otro material depende de la impedancia acústica de los dos materiales. La impedancia es indicada por la letra Z y es el producto de la densidad del material por la velocidad del sonido en el material. Z = Dv (gr / cm2 – seg) x 10° Z = impedancia Donde: D = densidad en gr / cm3 del material. V = velocidad de onda ultrasónica en el material en cm/seg.

El porcentaje del sonido incidente que es reflejado en una superficie de contacto depende de (1) el desequilibrio de impedancia Z1 / Z2 y (2) del ángulo de incidencia. Así la de 90°C (normal), puede ser calculada como sigue:

2)2Z1Z(

2)2Z1Z((Re)reflejadaEnergía+

−=

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Fig. 5.11 Formas de radiación esquemática para varios

Tamaños de Reflectores

Para ilustrar si las condiciones son favorables para encontrar la mayor cantidad de defectos con ultrasonido, el siguiente cálculo determina la energía reflejada cuando un haz de sonido se refleja en una superficie de contacto entre el acero y el aire:

Densidad Velocidad Z Del acero 7.8 gr / cm3

6,000 m / seg. (6.0 x 105 cm / seg.)

4.68 x 106

Del aire 0.0013 gr / cm3

330 m / seg. (3.3 x 104 cm / seg.)

42.9

=

+

−=

2)9.42610x68.4(

2)9.42610x68.4(Re 1 aproximadamente

Esto significa que en esta superficie de contacto, prácticamente el 100% de la energía de sonido es reflejada. Una demostración adicional de reflexión, en la superficie de contacto entre el plomo y el acero se describe en la fig. 5.12. Los

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parámetros que no son tomados en cuenta son (a) pérdidas de acoplamiento, (b) atenuación y (c) esparcimiento del haz.

Fig. 5.12 Pérdidas de transmisión en una onda ultrasónica en un Compuesto plomo-acero

Z1 = Impedancia acústica del primer material. Z2 = Impedancia acústica del segundo material. Wo = Energía señalada a la entrada original. Wr = Energía reflejada. We = Energía transmitida a través de la superficie de contacto. Wer = Energía transmitida, reflejada luego transmitida. Werr = Energía transmitida, luego reflejada dos veces.

La tabla 3 de los factores aproximados para la energía reflejada entre cierto número de materiales. Los datos tabulares indican que es posible que para una gran inclusión de cuarzo en aluminio, esta se haga prácticamente indetectable debido al pequeño porcentaje de sonido que choca en la superficie de contacto que está siendo reflejado. Es evidente que la inclusión de ciertos materiales, dentro de materiales base seleccionados, pueden ser fácilmente pasados por alto o mal interpretados durante la inspección ultrasónica. Se debe también notar que cualquier superficie de contacto agua a acero o aluminio, tal como en una prueba de inmersión, aproximadamente el 88% del sonido que choca al frente o a la entrada de la superficie de contacto es reflejado. Entonces solamente el 12% de la energía de contacto es reflejado. Entonces solamente el 12% de la energía de sonido incidente entra en la parte que es inspeccionada.

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TABLA 3

ENERGÍA REFLEJADA EN LA SUPERFICIE DE CONTACTO ENTRE

MATERIALES DISMILES

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REPARACIÓN Y FORMA DE CONVERSIÓN Si una onda sónica cruza oblicuamente la superficie de contacto de dos materiales a diferente velocidad, una porción del sonido es reflejado y el resto es refractado. Esta energía transmitida ha cambiado la dirección de propagación (refractada). Esto es análogo a la acción de un haz de luz que pasa a un ángulo diferente a 90°, de un material de un índice de refracción a otro material con diferente índice de refracción. Un ejemplo familiar de este fenómeno ocurre cuando vemos un objeto en el fondo de un lago. Este objeto no es tal como aparece debido a esta “flexión” de la luz. El ángulo al cual el sonido es refractado es determinado por: • Las velocidades del sonido en los dos materiales y, • El ángulo de incidencia. Esto puede ser calculado de acuerdo

a la ley de Snell (ver fig. 5.13).

FIG. 5.13 La línea de Snell. Nota: Los ángulos son medidos desde la línea “normal”(90° a la superficie de prueba), NO desde la superficie

de prueba. Se ha observado a diferencia de la luz, que una onda sónica de un tipo, como la longitudinal, no será solamente refractada en el segundo material, sino de acuerdo al ángulo de incidencia, será transformada parcial o completamente en ondas de otro tipo (forma) tales como la de corte, superficiales o del tipo placa. Desde que las ondas tienen diferentes velocidades en el mismo material, se refractarán a diferentes ángulos. Es posible crear ondas de dos diferentes formas en el mismo material y al mismo tiempo. La fig. 5.14 ilustra este fenómeno en un caso en el cual una señal es parcialmente transformada así como refractada en una superficie de contacto agua-metal.

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Para determinar el ángulo de refracción de una forma específica de sonido en un material es necesario sustituir la velocidad de aquel tipo de onda en la fórmula (Ley de Snell). En otras palabras, si se desea determinar el ángulo refractado de una onda de corte en el acero, la velocidad transversal del acero sería sustituida en la ecuación. Dos formas de ultrasonido a diferentes velocidades y ángulos refractados presentes en un material al mismo tiempo harían casi imposible evaluar propiamente una discontinuidad, desde que no se conocería cual forma de onda ha sido detectada. Se aliviaría este problema si se pudiera determinar, antes de la prueba, que solamente una forma de onda estuviera presente en la parte.

Fig. 5.14 Diagrama esquemático del comportamiento de un haz sónico en una superficie de contacto metal-agua.

Esto es posible si los cálculos son hechos para determinar el ángulo al cual las ondas longitudinales serán refractadas 90° a la normal, entonces las ondas longitudinales no se presentarán en el material. El ángulo de incidencia al cual esto ocurre se llama “el primer ángulo crítico”. Ver fig. 5.15.

FIG. 5.15 Cálculo del primer ángulo crítico.

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Sin β2 = Sin 90° = 1 NOTA: Usar figuras de velocidad longitudinal en este cálculo. Si el ángulo de incidencia es incrementado hasta que la onda de corte sea refractada a 90° y viajando paralelamente a la superficie de la parte, se pueden desarrollar ondas superficiales. Esto ocurre en el segundo ángulo crítico. Ver figura 5.16. Esta onda es amortiguada por un objeto (dedo, etc.) o por un líquido en la superficie metálica, entonces, no puede ser utilizada en la prueba de inmersión. Si se desea conocer los dos ángulos límites de incidencia entre los cuales las ondas superficiales serán creadas, usar el cálculo indicado en la fig. 5.16 para el ángulo más pequeño y el cálculo abajo indicado para el ángulo más grande.

FIG. 5.16 Cálculo del segundo ángulo crítico.

Sin β2 = Sin 90° = 1

NOTA: Usar velocidad transversal para el segundo material cuando se calcule el segundo ángulo crítico.

TransverseValLongitudinV

Sin =α

RaleighValLongitudinV

Sin =α

Raleigh2ValLongitudin1V

SinorL2VL1V

1Sin

=α=α

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Esto quiere decir que a cualquier ángulo incidente entre, incluyendo estos ángulos, las ondas superficiales pueden ser generadas.

5. MÉTODOS DE ENSAYO

La aplicación de ondas ultrasónicas para ensayo de materiales puede hacerse según diferentes técnicas que se explicarán a continuación. La elección de una u otra técnica dependerá de las características geométricas y estructurales, del tipo de defecto buscado, de la accesibilidad, etc. En general, y de acuerdo al grado de responsabilidad de los componentes, se adoptará la solución más adecuada en función de todas las circunstancias concurrentes. Se puede establecer una primera clasificación según el aparato del U.S., opere (ver tabla 4). • Método de resonancia. • Método de transmisión. • Método de pulso-eco.

A su vez, estos métodos se caracterizan por la magnitud medida: • Frecuencia de resonancia. • Intensidad acústica (I) • Tiempo recorrido (T). • Intensidad acústica y tiempo de recorrido (IT).

Tabla 4 Métodos de ensayo ultrasónico.

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Los métodos de resonancia y de pulso – eco operan por reflexión y los de transmisión (o transparencia), ya sea por transmisión, por reflexión, por conducción o por proyección de imagen. En la tabla 4. Se presentan además los campos principales de aplicación de estos métodos.

5.1. MÉTODO DE RESONANCIA

Tal como se indica en la Tabla 4, éste método se basa en la medida de la frecuencia de resonancia por reflexión (formación de ondas estacionarias) y se emplea, primordialmente, para la medida de espesores de productos de superficies paralelas. Si es una muestra de superficies paralelas, de determinado espesor e, se propaga un haz ultrasónico de excitación continua y de amplio espectro de frecuencias, las correspondientes oscilaciones cuya semilongitud de onda sea un submúltiplo del espesor de la muestra, se reforzarán por superponerse en fase, debilitándose las restantes, dando lugar a un fenómeno de resonancia, es decir, a la formación de ondas estacionarias. En consecuencia, las oscilaciones características se podrán definir por el número de semilongitudes de onda contenidas en el espesor de la muestra, por ejemplo la oscilación característica fundamental o primera, como la correspondiente a una semilongitud de onda por espesor

Onda incidente

Onda reflejada

Fig. 5.17 Frecuencia fundamental y armónicos en el ensayo por

resonancia.

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Por su propio fundamento, no resulta adecuado para la detección de heterogeneidades, si bien se pueden llegar a detectar discontinuidades, tales como laminaciones en chapas. Tampoco resulta adecuado para la medida de pérdidas de espesores por corrosión o deterioración por agentes ambientales. Salvo en el caso de corrosión por ataque uniforme o desgaste uniforme, ya sea que las picaduras y cavidades debidas a corrosión o cavitación alteran la condición requerida de la superficie reflectante de la muestra, siendo en cambio perfectamente idóneos, para este fin, los métodos de impulso - eco descrito más adelante. Medida de la intensidad acústica Este método el más antiguo de los métodos de ensayo de materiales por ultrasonido, mide la intensidad acústica de un haz ultrasónico, de excitación continua, que atraviesa el material. En realidad, no es la intensidad acústica lo que se mide sino la amplitud de la presión acústica cuando se utiliza un receptor piezoeléctrico. Si las características del equipo y del amplificador son lineales, la indicación será proporcional a la raíz cuadrada de la intensidad. No obstante, se sigue manteniendo la designación de método de intensidad ya que son siempre se utilizan receptores piezoeléctricos y, además, porque algunos equipos realizan electrónicamente la raíz cuadrada de la señal, manteniendo así proporcional a la intensidad acústica. En realidad, se ha venido manteniendo desde antigua la designación de intensidad por su analogía con la radiología industrial. Por su propia naturaleza, se utilizan principalmente por transmisión, es decir, con dos palpadores, uno de los cuales actúa como emisor y el otro, coaxialmente alineado al lado opuesto de la muestra, como receptor. En la fig. 6.18 se presenta el esquema de un equipo basado en este principio. Calibrado el equipo en una zona libre de heterogeneidades y considerando la intensidad (o la presión acústica) recibida como100 si el haz es interceptado por una heterogeneidad, la intensidad (o la presión acústica) disminuirá proporcionalmente a la superficie del obstáculo. Si la muestra es accesible por una sola cara, se puede adoptar la disposición de la fig. 6.19 en donde se aprovecha la reflexión del haz en su cara opuesta.

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Generadorde alta

frecuencia

Emisor Receptor

Amplificador 0

0

Fig. 5.18 Esquema de un equipo de media de intensidad (1) Y ensayo por transmisión.

Emisor Receptor

Fig. 5.19 Ensayo de medida de intensidad (1) por reflexión.

En las figuras 5.18 y 5.19 se ha representado el haz ultrasónico muy simplificado y sin tener en cuenta los fenómenos complejos que se producen. El esquema, a pesar de su simplicidad, conserva validez en el caso extremo de que la longitud de onda del haz ultrasónico sea muy pequeña comparada con el diámetro sombra. Pero, además, se pueden utilizar en ensayos en las que sólo interese una de las dos magnitudes: (1) o (1). Su versatilidad es, pues, una de sus principales ventajas.

Fig. 6.20 Esquema simplificado de una medición de intensidad y tiempo (IT). Método pulso – eco.

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6. PALPADORES

El efecto piezoeléctrico es el más utilizado para la generación y recepción de las ondas ultrasónicas, en su aplicación a los métodos de ensayo no destructivo, en especial por cuanto el examen de los materiales metálicos se refiere. El efecto magnetoestrictivo, se utiliza para la generación y recepción de ondas ultrasónicas de frecuencia más bajas, de 25 a 100 kHz, tales como las aplicadas al ensayo de hormigones. Hemos visto que, las ondas longitudinales se generan mediante los osciladores piezoeléctricos, en forma de disco, de cristales o materiales cerámicos polarizados y vibrando en la dirección de su espesor. Esto en el caso del cuarzo, se logra en los cristales tallados según un corte y, muestran que si tienen cristales de corte Y, se generan transversales. Si bien, existen palpadores de esta naturaleza, no son empleados con frecuencia en los ensayos no destructivos. Para estos ensayos, las ondas transversales se generan, casi exclusivamente, aprovechando los fenómenos de transformación o conversión de ondas que se producen al incidir una onda longitudinal oblicuamente a la superficie de la muestra a ensayar. Basándose en estos mismos principios se generan las ondas de superficie. Esta es la razón fundamental para que existan dos tipos básicos de palpadores: • De incidencia normal. • De incidencia angular. Los palpadores, por el hecho de ser los portadores del material peizoeléctrico, que actúa como generador y receptor de las ondas ultrasónicas y teniendo en cuenta que de este conjunto dependen las características y cualidades del haz de ultrasonidos que se propaga en el material que se examina, hace que tengan que ser considerados como un constituyente básico del equipo de ultrasonidos. Siendo de la mayor importancia el diseño del oscilador, no lo es menos el del resto de los elementos que intervienen en la construcción del palpador para modificar sus características emisoras y receptoras, para lograr que su rendimiento y eficacia sean máximos para unas determinadas características y cualidades del haz de ultrasonidos. Se puede afirmar que si bien el diseño del oscilador se apoya en estudios teóricos, el del palpador responde más a resultados de carácter experimental.

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En la actualidad, existe una gran diversidad de tipos de palpadores, como consecuencia de la gran diversidad de técnicas operatorias aplicables a los más diversos y complejos casos de examen por ultrasonido. En este orden de ideas, se pueden clasificar los palpadores en dos grandes grupos: palpadores de contacto y palpadores de inmersión. 6.1. PALPADORES DE INCIDENCIA NORMAL

Se emplean en los equipos que operan por los métodos de pulso – eco, de transparencia y de resonancia. La mayor parte de estos palpadores llevan incorporados osciladores diseñados para emitir ondas longitudinales. Según el número de cristales u osciladores que lleven incorporados, se pueden considerar los siguientes tipos: • Palpadores de cristal único, emisor y receptor, tipo E +

R (figura 4.21) • Palpadores de cristal doble, uno emisor y otro

receptor, tipo E – R (figura 4.21 y C). • Palpadores de cristales múltiples para aplicaciones

especiales.

6.1.1. PALPADOR NORMAL DE CRISTAL ÚNICO (TIPO E + R)

La fig. 5.1 nos muestra el esquema de una de estos palpadores. Se puede ver que además del cristal piezoelectrico a), constan de una caja o montura metálica b), que protege el conjunto, el amortiguador del cristal c), el hilo conductor eléctrico d) y la conexión e). El amortiguador c) del cristal es un elemento indispensable en los equipos que operan por el método de pulso – eco. Sus finalidades concretas son las siguientes: 1. Reducir el tiempo de oscilación del cristal. 2. Absorber las ondas que pudieran interferir el oscilograma y 3. Soportar mecánicamente el cristal piezoeléctrico.

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Fig. 5.21 Palpadores de contacto.

B C

A.- Palpador normal (Tipo E + R) B.- Palpador de doble cristal (Tipo E – R). C.- Oscilograma del palpador (Tipo E – R).

Posiblemente, de estas tres finalidades, sea la primera la más importante ya que la duración del impulso acústico define la llamada zona muerta del palpador que es la de la base de tiempo ocupada por la señal de emisión en el TRC. En esta zona muerta no será posible detectar la presencia de heterogeneidades, puesto que las indicaciones de los posibles ecos quedarían enmascaradas.

A

a. Cristal piezoléctrico b. Caja o montura metálica c. Amortiguador d. Conductor e. Conexión

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El contacto eléctrico se realiza, en el cuarzo y en los cristales cerámicos, mediante una supervisión de plata metálica extendida sobre las caras del cristal, que seca a unos 500°C y soldándose a continuación los electrodos con soldadura de plata. Tanto en el caso del sulfato de litio (punto de curie: 75°C) y del titanato de bario (punto de curie: 115-150°C), el recubrimiento se puede hacer pintando las superficies con suspensión de plata conductora de secado en trío mientras que los electrodos se adhieren mediante un cemento conductor.

En los palpadores de contacto sin suela protectora, el recubrimiento con plata no es una solución eficaz ya que se elimina fácilmente por desgaste y rozamiento. Por este motivo, se deben emplear para este tipo de palpadores cristales de curazo, que, dadas sus características permiten su uso sin suela protectora; en este caso sólo se metaliza la cara interna y la propia muestra metálica hace de electrodo en sustitución del recubrimiento externo. Con este tipo de palpadores se alcanza un poder de resolución más elevado pero, para el ensayo de muestras no metálicas o con las superficies oxidadas, es preciso utilizar un medio de acoplamiento que sea conductor. Cuando no se precisa de un poder de resolución máximo, como es el caso de muchos ensayos de rutina, es preferible proteger el cristal contra el desgaste por medio de películas o suelas protectoras. A este fin de utilizan películas finas de plástico, cuya resistencia al desgaste aumenta por adición de polvo de sustancias duras y que se pegan al cristal mediante una capa fina de adhesivo. También se emplean láminas de caucho o plástico blando, de 0,2 – 0,3 mm., de grueso, fáciles de sustituir cuando se estropean. En este caso el espacio entre el cristal y la lámina se debe llenar el aceite o grasa. Si embargo, actualmente, se tiende a recubrir el cristal de una lámina muy fina de cuarzo y zafiro, muy resistentes al desgaste, químicamente inertes y con una influencia despreciable sobre la sensibilidad del palpador. Un buen palpador debe poseer una buena sensibilidad para distancias grandes y buen poder

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de resolución. Para conseguirlo, primero se utilizará el palpador de diámetro y frecuencia máximos compatibles con la atenuación del material a examinar y, a la vez, convendrá mantener la amortiguación en valores bajos, con el fin de que el cristal pueda detectar impulsos acústicos débiles. Ahora bien, esta última condición se opone al segundo requerimiento, ya que, sólo con una amortiguación elevada se puede reducir la longitud de la zona muerta y, simultáneamente, conseguir impulsos acústicos de corta duración. Ambas condiciones son necesarias para el poder de resolución.

6.2. PALPADORES DE INCIDENCIA ANGULAR

Los palpadores angulares de contacto consisten, en esencia, en un oscilador de ondas longitudinales aplicando a una de las caras de un prisma de plástico (generalmente perpex), tallado con un ángulo de incidencia adecuado al ángulo de refracción o de penetración que se desea para un determinado material. Los elementos de un palpador angular así como su disposición, son los que figuran en el esquema de la figura 5.22.

a.- Cristal piezoeléctrico b.- Prisma de pics c.- Amortiguador d.- Protector metálico o montura e.- Conexión

Fig. 5.22 Palpador de incidencia angular

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El cristal piezoeléctrico (a) se monta sobre un prisma de plástico (b) por intermedio de una capa muy fina de adhesiva. En general, no se utiliza amortiguador adosado a la cara posterior del cristal, puestos que el efecto del propio prisma de plástico suele ser suficiente para mantener los pulsos cortos y la consiguiente buena resolución del palpador. La sustancia amortiguadora (c) se utiliza, en estos palpadores, para evitar que las reflexiones internas en el prisma vuelvan al cristal (método de pulso-eco). Suele consistir en resinas a caucho vulcanizado a los que añaden cargas apropiadas (dióxido de magneso, corcho, limaduras metálicas, etc)., para elevar su coeficiente de atenuación. Además, se suele recurrir a mecanizar en diente de sierra las superficies del prisma en contacto con el amortiguador (c), lo que constituye a la dispersión de las ondas reflejadas.. Distinguir heterogéneidades próxima entre si. Por lo tanto, con un material piezoeléctrico dado, un palpador sólo será óptimo con respecto a la sensibilidad o con respecto al poder de resolución, pero nunca para ambos requisitos a la vez. 6.2.1. PALPADORES DE CRISTAL DOBLE (TIPO E –

R)

El palpador de doble cristal uno emisor y otro receptor, trata de resolver el problema de la zona muerta que se presenta en los palpadores de un solo cristal, que impide o dificulta la detección de heterogeneidades próximas a la superficie de exploración. En los palpadores sin suela protectora la zona muerta oscila entre 4 y 5 mm., (en acero) por lo cual no será posible examinar muestras de ese espesor o menor. Si el palpador está protegido, la zona muerta puede rebasar, dependiendo de la frecuencia, los 10 mm.

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Los palpadores tipo E – R, cuyo esquema es el que aparece en la figura 6.1, constan de dos cristales perfectamente aislados, eléctrica y acústicamente por una lámina de corcho o policloruro de vinilo. Uno de los cristales actúa solo como emisor y el otro como receptor. Ambos cristales se montan, con una cierta inclinación, sobre una columna de plástico que produce un cierto efecto focalizador, de forma que concentra el haz ultrasónico para conseguir máxima sensibilidad en las proximidades de la superficie. Mediante este artificio se consigue que, por efecto del trayecto previo en plástico, la indicación de la señal de emisión quede muy separada del eco producido pro la heterogeneidad. La nueva posición cero de la escala de distancias, queda señalada por la indicación muy débil procedente del eco de la superficie de la muestra. La columna de plástico se construye a partir de un material de bajo coeficiente de atenuación, con una impedancia acústica tal que produzca una buena transmisión en la muestra a través del medio de acoplamiento correspondiente. Si la diferencia de impedancia es muy elevada, se producirá una reflexión fuerte en la superficie, lo que dará lugar a la consiguiente pérdida de energía y reforzamiento del eco de la interfase o superficie de exploración. Se comprueba que la altura de la indicación del eco decrece rápidamente a ambos lados de la distancia óptima que, para este palpador concreto se sitúa hacia los 12 mm. La posición de la zona de máxima sensibilidad es función primordialmente, de la inclinación de los cristales y de la frecuencia. Con este tipo de palpador y con equipos adecuados, es posible medir espesores y detectar heterogeneidades a partir de una profundidad equivalente a una longitud de onda. Una de las grandes ventajas que presenta este tipo de palpadores es el de poder utilizar los cristales más indicados para cada misión; por ejemplo, el titanato de bario como emisor y el sulfato de litio como receptor. Es evidente que está solución exigiría que las conexiones, palpador-equipo, de

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ambos cristales no fuesen intercambiables con objeto de evitar la posibilidad de error.

En los ensayos a altos niveles de ganancia., las perturbaciones provocadas por estas reflexiones pueden no llegar a eliminarse totalmente, especialmente pueden no llegar a eliminarse totalmente, especialmente cuando existan ondas que vuelvan directamente al cristal como consecuencia de la rugosidad de la superficie de exploración. El conjunto va montando en un protector metálico (d), provisto de la correspondiente conexión (e) A partir de la ley de Snell, se puede deducir que si ....... V1 < V2 como también VT1 < VT2 , existe un ángulo de incidencia límite por encima del cual dejan de coexistir modos de onda en el medio 2, quedando sólo la onda transversal. De otra parte, conociendo los valores de las velocidades acústicas en cada uno de los materiales y el modo de onda existente en cada uno, es posible calcular los valores de estos ángulos de incidencia. Refiriéndose al caso que nos interesa o al menos resulta más interesante desde el punto de vista de su aplicación al examen de uniones soldadas, será preciso tener en cuenta la superficie límite soldadas perpex. Acero y perpex-aluminio, al objeto de encontrar los valores de los ángulos límites para los cuales se propagarán ondas transversales en estos materiales. De acuerdo con los valores que se dan en la tabla 6.1 y teniendo en cuenta las leyes de la reflexión, encontramos que los prismas de perpex para la propagación de ondas transversales deben tener, ángulos de incidencia comprendidos entre 27.6 y 57.8° para el acero y entre 25.6 y 61° para el aluminio. Los palpadores de contacto comerciales, están diseñados, generalmente, para aceros; por lo que, para el examen de otros materiales, será preciso hacer las correspondientes correcciones en función de las diferentes velocidades de propagación de las ondas transversales. Como el ángulo de emisión de 27.6°, se refiere a un haz muy estrecho, se elige un ángulo algo mayor para que, bajo ningún concepto se pueda

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producir una onda longitudinal en el material que se examina. El ángulo mínimo de refracción de la onda transversal que se toma es el de 35°. Por otra parte, el ángulo límite de refracción no se halla efectivamente en los 90°, sino ya en los 80°, por lo que en ángulos superiores a este valor aparecen las ondas superficiales. Teniendo en cuenta los límites anteriores mencionados, los palpadores para la emisión del haz bajo ángulo, únicamente se construyen para ángulo de refracción comprendidos entre los 35° y 80°. Los palpadores angulares más corrientes, refiriéndonos siempre al acero, se construyen para ángulos de refracción de 35°, 45°, 60° y 70°. A estos ángulos se les suele llamar ángulos de entrada.

7. CALIBRACIÓN DEL SISTEMA

A los fines de que la información que se obtiene mediante el ensayo ultrasónico sea comprable y repetitiva es necesario calibrar y fijar las condiciones de funcionamiento y sensibilidad del sistema de ensayo que se emplea. Un sistema de ensayo ultrasónico está compuesto por un número de componentes cuyo comportamiento debe ser evaluado en su funcionamiento conjunto. Estos componentes son: • Aparato electrónico o “equipo de ultrasonidos” que genera,

recibe y representa las señales eléctricas correspondientes a las ondas ultrasónicas del ensayo. Debe ser identificadas por su marca, modelo y número de serie.

• Palpador de ultrasonidos, que genera y recibe las ondas ultrasónicas. Debe ser identificado por su tamaño, tipo, clase de cristal piezoeléctrico, frecuencia y técnica de ensayo a que está destinado (contacto o inmersión).

• Cables de interconexión, incluido si corresponde impedancias de acoplamiento.

• Elementos auxiliares tales como: tanque para ensayo por inmersión, manipuladora para el barrido de la pieza a examinar, medio de acoplamiento para ensayo por contacto.

Al efectuarse los ensayos se debe tener la seguridad de que el equipo utilizado (instrumento electrónico y sonda ultrasónica) está operando en condiciones de sensibilidad determinadas y reproducibles de manera tal que las informaciones obtenidas (altura y posición de ecos) puedan ser directamente comparables.

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Estos es particularmente importante luego de efectuar reparaciones en el equipo electrónico (ajustes, reemplazo de válvulas, etc.,) o cuando durante la inspección, se debe cambiar de equipo o se usan varios de ellos en distintos lugares. Es además importante tener la posibilidad de hacer verificaciones periódicas de las condiciones de funcionamiento del equipo en el lugar de trabajo para asegurarse que se sensibilidad no ha variado o no es afectada por alteraciones en la tensión de alimentación, por variaciones en la emisión de las válvulas por desgaste o modificaciones de montaje del cristal del palpador. Verificar también el mantenimiento de la linealidad de la base de tiempo del equipo electrónico. Finalmente puede ser necesario controlar el ángulo y posición de salida del haz ultrasónico en sondas angulares. Se debe tener presente que estas calibraciones se hacen para obtener referencias en la operación del equipo y permitir comparaciones de sensibilidades relativas pero que nunca deben ser utilizadas como elemento de juicio para evaluación de defectos en forma absoluta.

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Fig.5 6.23 Bloques normalizados ISS/IIW (V1).

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Fig. 5.25 b Bloque normalizado ISS/IIW (V2).

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7.1. SENSIBILIDAD DEL PALPADOR

La sensibilidad de un cristal piezoeléctrico es su mayor o menor capacidad (o eficacia) para transformar energía ultrasónica en energía eléctrica (o viceversa). Una mayor transformación presupone una mayor eficacia y por lo tanto, una sensibilidad más elevada. A través de medidas con el bloque-patrón se pueden comparar la sensibilidad entre diversos palpadores. Verificación de la sensibilidad de trabajo: Esta verificación se realiza a fin de obtener datos de referencia que permitan comprobar, mediante las posteriores verificaciones, si se mantiene la sensibilidad de trabajo del equipo durante el transcurso de los ensayos. No debe utilizarse para la evaluación de sensibilidad de indicación por cuanto esta última no puede ser verificada mediante el uso del bloque en consideración.

El procedimiento de ajuste depende de que se deba trabajar con alta o con baja ganancia: Verificación con alta ganancia: • Fijar la sonda en la posición indicada en la fig. 6.25 sin

ejercer presión excesiva y usando líquido acoplante adecuado.

• Calibrar la escala en el rango de 200 mm. • Hacer coincidir el primer eco con la división 50 mm.,

ya que el espesor de plástico equivale a dicha distancia en acero.

• Registrar el número de ecos, la altura del último de ellos visible en la pantalla y la ganancia de trabajo.

Verificación con baja ganancia.

• Fijar la sonda en la posición indicada en la fig. 5.25. • Desplazar el cabezal hacia arriba y hacia abajo basta

conseguir la máxima altura en el eco proveniente del agujero de 1,5 mm.

• Ajustar la ganancia al valor requerido. • Registrar los datos correspondientes a la altura del eco

y la ganancia de trabajo. 7.2. PODER DE RESOLUCIÓN DEL PALPADOR

Al dirigir un haz ultrasónico sobre una superficie escalonado (ver fig. 5.26) resultarán dos reflexiones

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simultáneas y separados solamente por una distancia muy pequeña que corresponde a la diferencia de espesor originada por los escalones. Se da el caso que puede aparecer un eco bastante confuso sin poderse apreciar aquella diferencia (a) pero utilizamos otra palpador distinto podremos obtener una imagen más destacada (b) en que aparecen claramente los dos ecos. Decimos entonces que el segundo palpador tiene mejor resolución que el primero.

a)

Fig. 5.25 Verificación de sensibilidad con sonda normal

a) Con alta ganancia. b) Con baja ganancia.

Fig. 5.26 Poder de resolución de un palpador.

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Estimación del poder de resolución:

• Ubicar la escala en el rango calibrado de 200 mm. • Fijar la sonda en la posición de la Fig. 5.27. • En la posición indicada se obtendrán en la pantalla del

instrumento los ecos correspondientes: al espesor de 100 mm., parte más ancha del bloque, el espesor de 85 corresponde a la ranura y al espesor de 91 mm., corresponde al rebaje.

• Se ajusta la altura del mayor de los ecos de manera que alcance los 2/3 de la altura de la pantalla, actuando sobre el control de la ganancia y se observa la apariencia comparándolos con los esquemas de la fig. 5.27.

• De acuerdo a la comparación efectuada la resolución debe ser calificada como: buena, aceptable o pobre.

Fig. 5.27 Estimulación de resolución con sonda normal.

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7.3. VERIFICACIÓN DE UN TRANSDUCTOR ANGULAR

En primer lugar se requiere conocer perfectamente el punto de salida del haz así como también el ángulo de entrada (ángulo de refracción, al incidir sobre la superficie del material) y para ello recurrimos una vez más a la pieza patrón (ver fig. 5.28).

Fig. 5.28 Determinación del punto de salida del haz de U.S.

Situado el palpador en la posición L dirigimos el haz hacia el sector hasta obtener la máxima amplitud del eco (a): en ese momento la situación del verdadero punto de salida del haz (índice) se corresponde con el punto 0 de la pieza patrón. Para conocer el ángulo de refracción debe colocarse el palpador, según ángulo de refracción del mismo, en las posiciones señaladas en la pieza patrón: M1 a M5, dirigiendo el haz hacia el centro del círculo de material plástico hasta obtener la máxima amplitud de señal igual que hicimos anteriormente. La raya que indica el punto de salida debe corresponderse con el valor del ángulo marcada. De no ser así se recurre a una interpolación.

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INDICE

1. Algunos criterios a tener en cuenta................................................. 3

1.1. Selección y clasificación de maquinaria ............................ 3 1.2. Establecimiento de parámetros de evaluación ................ 4 1.3. Establecimiento de niveles de alarmas .............................. 5 1.4. Establecimiento de puntos de medición............................ 6

2. Pasos para establecer un buen plan de mantenimiento predictivo ............................................................................................ 6 3. Análisis de cambio de condición ................................................... 11

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1. ALGUNOS CRITERIOS A TENER EN CUENTA

1.1. SELECCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE MAQUINARIA

La instalación de un programa eficaz de MPd, requiere de un estudio cuidadoso de las necesidades de la planta. Es necesario conocer cada máquina, su comportamiento y su respuesta a los cambios. En equipos críticos, donde los problemas se desarrollan rápidamente y tienen consecuencias financieras severas o en máquinas en las que la falla pone el peligro al personal, es necesario el monitoreo continuo. Los equipos menos críticos, donde el avance del deterioro es menos rápido y notorio permiten su reparación antes de que la falla ocurra, usualmente se monitorean periódicamente.

El monitoreo de maquinaria debe iniciarse en un orden prioritario. Las primeras máquinas a incluirse en un Plan de MPD deben ser aquellas calificadas como críticas; aquellos con problemas conocidos o con una historia de problemas. Otros factores a considerar cuando se hace una selección de equipos son:

• La seguridad del personal.- Si el equipo manipula

material peligroso, su monitoreo debe observar todas las recomendaciones de seguridad.

Similarmente, si la máquina presenta riesgos al personal, tales como las hélices de ventiladores de torres de enfriamiento.

• La probabilidad de falla.- Los equipos que operan en los límites extremos de diseño y/o manipulan material agresivo, deben ser monitoreadas con más frecuencia que el equipo que opera en servicio ligero o en rutina normal. En algunos casos se puede forzar a un equipo a operar con deficiencias conocidas, a niveles que lo hacen susceptible de falla. El conocimiento de la

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frecuencia histórica de fallas, es un factor a considerar para clasificar al equipo.

• Nivel de control de operación.- Si el equipo que es

operado remotamente, por regla general requiere de un monitoreo continuo además de un sistema de protección, desde donde se pueden extraer los datos para el MPD.

• Costos y efecto de una parada imprevista o falla.- Si

el costo y efecto es alto, el MPD es fácilmente justificado.

1.2. ESTABLECIMIENTO DE PARÁMETROS DE EVALUACIÓN

Una vez que las máquinas han sido seleccionadas para el monitoreo, la tarea siguiente es decidir cuales son los parámetros necesarios que con mayor precisión reflejen el estado de la máquina. El secreto para un MPD efectivo, es una selección de parámetros que complete y defina efectivamente la condición de la maquinaria. Esta etapa, efectuada con una reflexión cuidadosa y profunda, reportará grandes beneficios futuros. Los parámetros tales como la vibración y la temperatura son los mejores indicadores de la condición de la maquinaria rotativa. La condición del lubricante es con frecuencia también útil. La presión, temperatura, flujo etc. son necesarios para evaluar la perfomance y, en algunos casos también pueden indicar condiciones mecánicas.

Establecimiento de Frecuencias de Medición

Muchos de los procesos de reflexión y criterios usados para la selección de la maquinaria y los parámetros de medición se utilizan para establecer la frecuencia de medición. Son consideraciones importantes para la selección de frecuencias:

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• El registro histórico de fallas. • La rapidez con que se desarrolla la degradación hacia

la falla.

La necesidad de intervalo corto o de monitoreo continuo: Un cojinete de empuje típicamente falla muy rápidamente, con resultados catastróficos. Donde este tipo de fallas ocurren, es probable que se justifique el monitoreo continuo. El monitoreo periódico: De aquellos parámetros cuyas mediciones proveen una alarma temprana y precisa de los cambios de condición y que finalmente podrían causar fallas; estos parámetros, por lo general cambian lentamente. La experiencia provee una guía excelente para la selección de frecuencias. Las máquinas que tienen un pasado de problemas o que históricamente sus fallas se desarrollan rápidamente requieren de frecuencias cortas; las máquinas confiables históricamente demandarán frecuencias largas.

1.3. ESTABLECIMIENTO DE NIVELES DE ALARMAS

Para establecer estos niveles, primero tenemos que saber que es lo normal; cuando se trata de parámetros como la presión o temperatura, la cosa es muy simple, se parte de los valores de diseño.

Sin embargo; para otros parámetros vitales de condición (la vibración es el primer ejemplo), el asunto es mucho más dificultoso, los niveles de alarma dependen del tipo de máquina, de su construcción y hasta del punto que se está midiendo. Para empezar, se recomienda la fijación de niveles de conformidad con las normas de vibración ISO 2372 e ISO 3945, las cuales cubren un amplio espectro de máquinas, evaluándolas según la severidad de vibración en velocidad RMS. En el futuro, con su sistema de MPd. en marcha, será su experiencia y su propia base de datos la que determinará los niveles más apropiados, auxiliados

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por el manejo estadístico de los datos que el software de MPd posibilita.

1.4. ESTABLECIMIENTO DE PUNTOS DE MEDICIÓN

Todas las medidas que se requieren para definir cabalmente la condición mecánica del equipo a ser monitoreado, deberán ser detalladas al nivel de componentes y adecuadamente codificadas. Después de establecer el plan de MPd, el siguiente paso es la selección del equipo requerido, las opciones son:

• Medidores portátiles y analizadores. • Medidores recolectores y analizadores. • Software para MPd. y análisis vibracional. • Colectores de datos y analizadores en línea.

2. PASOS PARA ESTABLECER UN BUEN PLAN DE

MANTENIMIENTO PREDICTIVO

Paso 1 ¿Qué máquinas deben incluirse en el monitoreo de condición de los equipos? Para seleccionar las máquinas se pueden emplear hasta tres criterios diferentes:

1. Criticidad: Equipos que sean muy importantes para el proceso, para lo cual se recomienda clasificar a los equipos en cuatro categorías:

• Categoría 1: Equipos críticos únicos, cuya falla para o

restringe severamente la producción.

Como ejemplos típicos tenemos: unidades de compresión única, generadores, turbinas, máquinas de papel, unidad de propulsión marina.

• Categoría 2: Equipos críticos con stand-by, cuya falla o parada

de ambas unidades paran o restringen severamente la producción.

Ejemplo: ventiladores de tiro forzado, bombas de alimentación y carga, bombas de impulso en tuberías, unidades de comprensión de aire, bombas de proceso.

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• Categoría 3: Equipos únicos no críticos, cuya falla no afecta en gran medida la producción.

Ejemplo: torres de enfriamiento y sus ventiladores, bombas de recirculación de agua, algunas bombas de proceso.

• Categoría 4: Equipos no críticos, que operan

intermitentemente.

Ejemplo: todas las máquinas restantes que requieren ser monitoreadas.

2. Estado Actual: Toman en cuenta varios factores, como la seguridad del personal, la probabilidad de falla, la operatividad, etc., del equipo, de tal manera que la máquina que vaya obteniendo mayor puntaje, será el primero en ser implementado en el programa. 3. RoI: Costo de monitoreo de condición vs. el costo potencial de averías, pérdida de producción y reparaciones. Básicamente relaciona que beneficios puedo obtener ante la inversión en MPd, en un tiempo determinado (recuperación de la inversión). Lógicamente, el equipo que brinde mejores beneficios, tendrá la primera opción en la implementación del MPd.

Paso 2 Decidir que se desea monitorear por Máquina Por lo general las condiciones a monitorear son las siguientes: • Temperatura. • Vibración. • Estado del Aceite. • Características eléctricas de funcionamiento. • Presión. • Flujo. • Tensión y esfuerzo. • Movimiento y desplazamiento mecánico. • Estado de los componentes metalúrgicos. • Sónica. • PH y conductividad.

Deben aplicar varios criterios diferentes, dos como mínimo y preferentemente de 3 a 5. Las condiciones más significativas a monitorear son los primeros 4 ó 5 ítems.

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El monitoreo de un solo factor (p.e. sólo la vibración) no permitirá contar con un panorama real ni completo del estado del equipo. Paso 3 Establecer Frecuencias y Puntos de Medición

• Intervalos cortos o de monitoreo continuo: Se justifica en aquellos componentes cuya falla puede resultar catastrófica para la producción.

• Monitoreo periódico: Para parámetros que generalmente cambian lentamente, y se requiere una alarma precisa y temprana de los cambios de condición que finalmente conduzcan a la falla.

• Respecto de los puntos de medición, se debe considerar la

condición mecánica del equipo a nivel componentes. Paso 4 Establecer niveles de alarma • Se debe conocer que es lo normal. Se recomienda fijar los

niveles según valores de diseño (p.e. presión y temperatura) o según las normas vigentes (p.e. normas de vibración ISO 2372 e ISO 3945).

• Los niveles establecidos se modificarán en el futuro por

experiencia y después de realizar evaluaciones estadísticas de la base de datos generada.

Velocidad (“/seg)

3000R.P.M.

1000 2000

Línea de Alarma

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Rangos de Velocidad Límite y Clasificación de Máquinas, según ISO 2372

Clasificación de Maquinaria (según ISO 2372)

• Clase I: Partes individuales de máquinas y motores,

conectados íntegramente con la máquina en su condición normal de operación (Motores eléctricos hasta 15 Kw).

• Clase II: Máquinas medianas (Motores eléctricos entre 15 y 75

Kw) sin base especial; rígidamente montadas sobre máquinas (hasta 300Kw) con base especial.

• Clase III: Máquinas grandes con masa rotativas, montadas

sobre bases rígidas, los cuales están relativamente rígidos en la dirección de la medida de la vibración.

• Clase IV: Máquinas grandes con masa rotativas, montadas

sobre bases relativamente flexibles en la dirección de la medida de la vibración (p.e. turbogeneradores).

Vida útil del cojinete en función de la velocidad de vibración

V RMS (mm/s

)

V eq. Pico

(pulg/s)

Clase

I

Clase

II

Clase

III

Clase IV Severidad

0.28 0.45 0.71

0.02 0.03 0.04

Bueno

1.12 0.06 1.80 0.10 2.80 0.16 Satisfactorio

A

4.50 0.25 B 7.10 0.39 Tolerable 11.2 0.62 18.0 1.00

C

28.0 45.0 71.0

1.56 2.50 3.95

Inaceptable D

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Velocidad de Vibración

Estado del equipo

0,15 in/s (3.8 mm/s)

Bajo nivel de fuerza. La vida útil del cojinete debería ser como mínimo de 10 a 16 años, con lubricación adecuada.

0.30 in/s (7.6 mm/s)

El doble del nivel de fuerza normal. La vida útil se reduce en un factor de 8 y se incrementa en 1 1/2 a 2 años con lubricación adecuada.

0.90 in/s (22.86 mm/s)

Fuerzas muy elevadas. La vida útil del cojinete será sólo de 6 a 8 semanas. El nivel de fuerza es suficientemente alto como para romper la tensión superficial de la película de aceite y hacer que la lubricación no sea efectiva.

0,90 in/s (22.86 mm/s)

Fuerzas sumamente elevadas. El cojinete se avería con cada revolución. La vida útil del cojinete es de 3 días a unas pocas semanas.

3,6 0,9

5,4 1,8

5,4 3,6

7,2 3,6

7,2 3,6

9,0 5,4

12,6 9,0

14,4 9,0

14,4 10,8

velocidad RMS (mm/s)

14 13 12 11 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

GUÍA PRACTICA DE NIVELES DE ALARMA DE VIBRACIÓN

Maquinas herramientas

C. engranajes Bombas Motores eléctricos

Motores Generadores Molinos

Compresores Centrifugas

ventiladores Sopladores

Transportadores (conveyors)

Motores eléctricos Bombas reciproc. Grupos Electrógenos Compresores recip.

Máquinas de empaquetado

Triturador de vacío

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Paso 5 Seleccionar entre los métodos básicos de monitoreo de equipos (recopilación de datos). • Instalación fija: Con tendido de cables centralizados en

registradores o microprocesadores. (Siderúrgica, refinería, procesos químicos, etc.)

• Indicadores portátiles: Dispositivos de medición / registro.

Paso 6 Seleccionar el recurso humano adecuado.

• Procurar que el personal se involucre desde la etapa de diseño

del sistema MPD. • Aprovechar la experiencia del personal. • Seleccionar inspectores y supervisores quienes deben poseer

cualidades especiales.

Paso 7 Los datos medidos y registrados deben analizarse, marcar su tendencia, interpretarse y luego deben tomarse decisiones (acciones correctivas):

• Entrada de datos. • Análisis de datos, muestras o valores comparativos. • Conclusiones y toma de decisiones. • Planificar acción correctiva.

3. ANÁLISIS DE CAMBIO DE CONDICIÓN ¿Cómo hacer para estimar la severidad de los cambios de condición y decidir si se debe continuar o parar la producción? Evaluar: • La magnitud del cambio: Si se sobrepasa los valores de

peligro y no pueden ser bajados, lo mejor es parar. • El rango del cambio: Si los valores cambian rápidamente, no

se dispone de mucho tiempo para actuar, parar. • Variables relativas: Los altos valores registrados pueden

provenir de una fuente ajena a la propia máquina. • Causa probable: Si los valores son estables y se tiene tiempo

para evaluar y determinar la probable causa, evalúe las mediciones, espectros detallados y toda la información de que disponga.