universidad simón bolívar decanato de estudios profesionales

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS PLANARES EN ACEROS INOXIDABLES
AUSTENÍTICOS A TRAVÉS DE TÉCNICAS DE INSPECCIÓN ULTRASÓNICA
Realizado por:
Luis Alberto Ganhao Birrento
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al
título de Ingeniero de Materiales
Opción Metalmecánica
Sartenejas, Enero del 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ACTA FINAL DE PROYECTO DE GRADO
CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS PLANARES EN ACEROS INOXIDABLES
AUSTENÍTICOS A TRAVÉS DE TÉCNICAS DE INSPECCIÓN ULTRASÓNICA
Presentado por:
Luis Alberto Ganhao Birrento
Este proyecto ha sido examinado por el siguiente jurado:
Prof. Edda C. Rodríguez
Prof. Adalberto Rosales
Prof. Julio Millan
Prof. Freddy Fraudita
Prof. Minerva Dorta
Sartenejas, Enero del 2007
CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS PLANARES EN ACEROS INOXIDABLES
AUSTENÍTICOS A TRAVÉS DE TÉCNICAS DE INSPECCIÓN ULTRASÓNICA
Realizado por:
Luis A. Ganhao B.
RESUMEN
La siguiente trabajo tiene como objetivo la detección y dimensionamiento de reflectores
tipo entalla mecanizadas a distintas profundidades en tres bloques de referencia de Acero
Inoxidable Austenítico tipo, 304, 321 y 309, con el método de ultrasonido, aplicando las
técnicas de Pulso Satélite, Ondas de Arrastre y TOFD.
Para la medición de atenuación y velocidad acústica con pulso eco se utilizó un
transductor de 5 MHz y haz normal, en las técnicas de dimensionamiento con Ondas de
Arrastre el transductor fue de 2 MHz y 70° onda longitudinal y para Pulso Satélite fue de 5
MHz y 45°. En el caso de la técnica automatizada TOFD se estableció un arreglo de
transductores tipo emisor-receptor de 10 MHz y 70° onda longitudinal. Una vez detectada la
señal se dimensionaron las entallas en cuanto a su altura medidas desde la cara opuesta a la de
inspección.
Posteriormente se comparó la capacidad de detección y la precisión en el
dimensionamiento entre éstas, resultando TOFD como la más versátil.
El uso de las técnicas ultrasónicas utilizadas permitió la evaluación de estos aceros
inoxidables de grano austenítico inclusive en muestras que habían sido retiradas de servicio,
esto se demostró con las mediciones de atenuación. La técnica por Ondas de Arrastre detectó
todas las entallas, sin embargo, mostró limitaciones cuando la altura de estas es menor a 0,5
mm. En el caso de Pulso Satélite las entallas con alturas menores a los 2 mm no fueron
dimensionadas. TOFD reveló mejores resultados pues se logró cuantificar todas las entallas,
inclusive aquellas en los bloques de bajo espesor (9 mm) y afectados térmicamente (309).
ii
A mis padres, fuente de constancia, humildad y amor.
A mi esposa, por toda su paciencia y haber creído en mí.
A mis hijas, por todo el cariño y consentimiento que me brindan.
A mi hermano por estar ahí en los momentos oportunos..
iii
AGRADECIMIENTOS
•
A Dios y la virgen de Fátima, por guiar cada uno de mis pasos.
•
A mis padres por su gran dedicación, su amor, su sabiduría, su orientación a tiempo, su
vida por nosotros.
•
A mi querida y amada esposa por el apoyo incondicional, su paciencia y sobre todo el
haber creído en mí.
•
A mis bellas hijas, por su amor y momentos de alegría que me dieron fuerzas para
continuar.
•
A PDVSA Intevep por brindarme la oportunidad de continuar mis estudios de ingeniería.
•
A cada uno de mis compañeros de trabajo que de una manera u otra me ayudaron a tomar
la decisión de iniciar mis estudios y de mantenerme en ellos.
•
A todos los profesores de la Universidad que me ayudaron a continuar, así como darme
los conocimientos que hoy en día se materializan.
•
A mis tutores, profesores Edda Rodríguez y Adalberto Rosales por sus consejos y aliento
para que hoy se hiciera realidad está meta.
•
A mis compañeros Marielba Arraez y Alfonso Ramos, por su asesoría profesional, apoyo
y disposición en la realización de este trabajo.
•
A Guaicaipuro Rivas quién de manera desinteresada me concedió la extensión de un
trimestre durante mi período de beca.
•
A Ingrid Higuerey quien siempre depositó un voto de confianza en mí.
•
A cada uno de mis amigos en especial a: Adriana López, Adriana Leiva, Angélica, Prof.
Jaime, Fabiana Puerta, Erick Rodríguez, Roberto Bello, Carlos Ríos, Gladys Navas, Laura
Viloria, por todas las cosas vividas juntos, el aprendizaje que cada uno de ellos me dejaron
y el apoyo moral y espiritual que me brindaron en los momentos más difíciles.
•
A todos los representantes y alumnos de mi academia de karate-do que de una manera u
otra siempre me dieron aliento y fuerzas para continuar.
•
A todos los que de una u otra manera me prestaron su ayuda, para hacer más llevadero
esta dura etapa que culmina otro ciclo de mi vida.
Muchas gracias
iv
INDICE GENERAL
INDICE GENERAL ........................................................................................................v
INDICE DE FIGURAS ................................................................................................viii
INDICE DE TABLAS .....................................................................................................x
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ............................................................xi
I.
INTRODUCCIÓN ...............................................................................................1
II
OBJETIVOS ........................................................................................................3
2.1
General ..................................................................................................................3
2.2
Específicos.............................................................................................................3
III
ANTECEDENTES ..............................................................................................4
IV
MARCO TEORICO............................................................................................6
4.1. Aceros Inoxidables ................................................................................................6
4.2. Efectos de los Elementos de Aleación...................................................................6
4.3
Aceros Inoxidables Austeníticos o Serie 300 ........................................................8
4.4
Aplicaciones ..........................................................................................................8
4.5
Tipos de Corrosión que inducen agrietamiento...................................................10
4.5.1
Corrosión Intergranular ...........................................................................11
4.5.2
Agrietamiento inducido por esfuerzo ......................................................11
4.5.3
Agrietamiento por Ácido Politiónico ......................................................12
4.5.4
Corrosión Ácidos Nafténicos...................................................................13
4.5.5
Corrosión por Sulfuración (o Sulfidación) ..............................................14
4.5.6
Fragilidad por fase sigma ........................................................................14
4.6
Soldabilidad .........................................................................................................15
4.7
Ultrasonido ..........................................................................................................17
4.7.1
Velocidad acústica (V) ............................................................................17
4.7.1.1
Ondas Longitudinales ..................................................................18
4.7.1.2
Ondas Transversales ....................................................................19
4.7.2
Transductores ó Palpadores .....................................................................21
4.7.3
Atenuación...............................................................................................22
4.7.3.1
Dispersión 22
4.7.3.2 Absorción ...................................................................................22
4.7.4. Ley de la atenuación ................................................................................23
4.7.5
Calibración del sistema de ultrasonido....................................................24
v
4.7.5.1
4.8
Bloques normalizados de referencia............................................24
4.7.5.1.1
Serie I.I.W. V-1 Y V-2 ..............................................25
4.7.5.1.2
Bloque V-1 ................................................................25
4.7.5.1.3
Bloque V-2 ................................................................26
4.7.5.1.4
Bloques especiales....................................................26
Técnicas de Ultrasonido ......................................................................................27
4.8.1
Pulso Eco (con incidencia angular) .........................................................27
4.8.2
Onda de arrastre (Creeping Wave) ..........................................................28
4.8.3
Pulso Satélite (Tip Diffraction) ...............................................................31
4.8.4 TOFD (Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada)...................................31
V
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ........................................................35
5.1. Análisis metalográfico.........................................................................................36
5.2. Diseño y construcción de bloques de referencia .................................................36
5.3
Medición de velocidades .....................................................................................40
5.3.1
Onda Longitudinal...................................................................................40
5.3.2
Onda Transversal.....................................................................................41
5.4
Medición de atenuación...........................................................................42
5.5
Ondas de Arrastre (Creeping Wave). ..................................................................44
5.6
Pulso Satélite (Tip Diffraction). ..........................................................................45
5.7
TOFD (Tiempo de vuelo de la onda difractada)..................................................46
VI
RESULTADOS Y DISCUSIÓN .......................................................................49
6.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL .........................................................49
6.1.1. Análisis microestructural.........................................................................49
6.2 EVALUACIÓN ULTRASONICA......................................................................51
6.2.1
Medición de velocidades .........................................................................51
6.2.2
Atenuación...............................................................................................52
6.2.3. Detección y dimensionamiento de los reflectores de referencia .............56
6.2.4
Onda de arrastre (Creeping Wave) ..........................................................57
5.2.5. Pulso satélite (Tip Diffraction) ................................................................66
6.2.5
TOFD (Tiempo de vuelo de la onda difractada)......................................72
VII
CONCLUSIONES .............................................................................................81
VIII
RECOMENDACIONES ...................................................................................83
IX
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ............................................................ 84
ANEXOS ........................................................................................................................87
vi
ANEXO A ....................................................................................................................87
ANEXO B ....................................................................................................................88
ANEXO C ....................................................................................................................89
ANEXO D ....................................................................................................................90
vii
INDICE DE FIGURAS
Figura. 4.1
Ataque intergranular en un acero inoxidable AISI-316 .................................... 11
Figura-4.2
Grieta transgranular activada por esfuerzo y corrosión. [10] ............................... 12
Figura 4.3
Agrietamiento inducido por esfuerzo bajo un ambiente corrosivo.................... 13
Figura 4.4
Degradación en la superficie del material por ácidos Nafténicos. .................... 13
Figura 4.5
Exfoliación gracias al ambiente de azufre en el cual estaba.............................. 14
Figura 4.6
Microestructura afectada por fase sigma........................................................... 15
Figura-4.7
Características de una onda longitudinal........................................................... 18
Figura-4.8
Características de una onda transversal............................................................. 19
Figura-4.9
Arreglo típico de un piezocompuesto................................................................ 21
Figura-4.10
Bloque de referencia V-1. ................................................................................. 25
Figura-4.11
Bloque de referencia V-2 o Miniatura............................................................... 26
Figura-4.12
Bloque de referencia según el código ASME Sección V .................................. 27
Figura-4.13
Representación general de la técnica Pulso-Eco angular. ................................. 28
Figura-4.14
Modos de conversión de la técnica Creeping wave........................................... 29
Figura-4.15
Flujograma para el dimensionamiento de defectos tipo planar ......................... 30
Figura-4.16
Presentación general de la técnica de difracción por punta de grieta ................ 31
Figura-4.17
Arreglo típico empleado en la técnica TOFD.................................................... 32
Figura- 4.18
Imagen típica B-Scan, de la técnica TOFD. ...................................................... 34
Figura-5.1
Flujograma del procedimiento experimental..................................................... 35
Figura-5.2.
Vista de planta del bloque AISI-321. ................................................................ 37
Figura-5.3.
Detalles de las dimensiones de las entallas en vistas laterales. ......................... 38
Figura-5.4
Dimensiones requeridas para el bloque de referencia 304 ................................ 39
Figura-5.5
Dimensiones de las entallas............................................................................... 39
Figura-5.6
A-scan con los 7 ecos y 6 rond trips.................................................................. 41
Figura-5.7
Ecos involucrados en la medición de atenuación. ............................................. 43
Figura-5.8.
Arreglo para determinar la altura de un defecto planar ..................................... 46
Figura-5.9.
Configuración empleada durante la inspección por TOFD .............................. 47
Figura-6.1
Microestructura correspondiente al AISI-304. .................................................. 49
Figura-6.2
Microestructura correspondiente al AISI-321. .................................................. 50
Figura-6.3
Microestructura correspondiente al acero AISI-321(S). ................................... 50
Figura-6.4
Microestructura correspondiente al Acero AISI-309 obtenida a 200................ 51
Figura-6.5
Comportamiento del haz ultrasónico (OL) debido a la atenuación ................... 55
Figura-6.6
Comportamiento del haz ultrasónico (OT) debido a la atenuación ................... 56
Figura-6.7
Calibración de la técnica ondas de arrastre ....................................................... 58
viii
ix
Figura-6.8
Entalla 1 (1,30 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 58
Figura-6.9
Entalla 2 (5,50 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 59
Figura-6.10
Entalla 3 (2,70 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 59
Figura-6.11
Entalla 4 (6,50 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 60
Figura-6.12
Entalla 5 (3,86 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 60
Figura-6.13
Entalla 6 (0,64 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321. ............................................. 61
Figura-6.14
Calibración por ondas de arrastre en el bloque AISI-304. ................................ 62
Figura-6.15
Señal A-Scan de la entalla 1 del bloque AISI-304 ............................................ 63
Figura-6.16
Señal A-Scan obtenida de la entalla 2 del bloque AISI-304 ............................. 63
Figura-6.17
Señal A-Scan obtenida de la entalla 3 del bloque AISI-304 ............................. 64
Figura-6.18
Calibración por ondas de arrastre en el bloque AISI-309 ................................. 65
Figura-6.19
A-Scan de la entalla 1 obtenida del bloque AISI-309. ...................................... 65
Figura-6.20
A-Scan de la entalla 2 obtenida del bloque AISI-309. ...................................... 66
Figura-6.21
A-Scan correspondiente a la entalla 2 bloque AISI-321 ................................... 68
Figura-6.22
A-Scan correspondiente a la entalla 3 bloque AISI-321 ................................... 69
Figura-6.23
A-Scan correspondiente a la entalla 4 bloque AISI-321 ................................... 69
Figura-6.24
A-Scan correspondiente a la entalla 5 bloque AISI-321 ................................... 70
Figura-6.25
A-Scan correspondiente a la entalla 2 bloque AISI-309 ................................... 71
Figura-6.26
A-Scan correspondiente a la entalla 3 bloque AISI-309. .................................. 72
Figura-6.27
Calibración por TOFD (10 MHz-70°-6mm.) .................................................... 73
Figura-6.28
Imagen B-Scan correspondiente a los reflectores 1, 2 y 3................................. 73
Figura-6.29
Imagen B-scan correspondiente a los reflectores 4 y5. ..................................... 74
Figura-6.30
Imagen B-Scan correspondiente al reflector 6 .................................................. 75
Figura-6.31
Imagen B-Scan de los reflectores 1, 2 y 3 del bloque AISI-304 ....................... 75
Figura-6.32
Imagen B-Scan del reflector 1 del bloque AISI-309. ........................................ 76
Figura-6.33
Imagen B-Scan del reflector 2 del bloque AISI-309. ........................................ 76
Figura-6.34
Grafico comparativo TOFD vs. Pulso Satélite bloque AISI-321. ..................... 79
Figura-6.35
Grafico comparativo TOFD vs. Pulso Satélite bloque AISI-304 ...................... 80
ix
INDICE DE TABLAS
Tabla 4.1
Aceros inoxidables más usados en plantas de refinería.......................................10
Tabla 5.1
Aceros inoxidables austeníticos usados en el análisis metalográfico..................36
Tabla 5.2
Valores de ganancia y sensibilidad para la evaluación de las entallas. ...............44
Tabla 5.3
Variables esenciales par la aplicación de TOFD. ................................................48
Tabla 6.1
Valores de velocidad obtenidos experimentalmente. ..........................................52
Tabla 6.2
Coeficientes de atenuación medidos experimentalmente....................................53
Tabla 6.3
Valores estimados de altura para los distintos reflectores...................................57
Tabla 6.4
Valores de altura para las entallas del patrón AISI-304. .....................................62
Tabla 6.4
Valores de altura de los reflectores de referencia del bloque AISI-309..............64
Tabla 6.5
Recorridos sónicos promediados para cada entalla. ............................................67
Tabla 6.6
Valores promedio de altura y estimación del error. ............................................67
Tabla 6.7
Valores promedio de altura y estimación del error .............................................70
Tabla 6.8
Valores promedio de altura y estimación del error. ............................................71
Tabal 6.9
Dimensiones de las entallas tanto reales como las obtenidas por TOFD. ...........77
Tabla 6.10 Valores de alturas para cada entalla mecanizada en los tres patrones usados.....78
x
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
END:
Ensayos No Destructivos
UT:
Técnica Ultrasónica.
ZAC:
Zona Afectada por el Calor.
TOFD:
Time of flight diffraction.
B-Scan:
Imagen bidimensional.
A-Scan:
Señales constituidas por pulsos.
E:
Modulo de elasticidad.
µ:
Coeficiente de poisson.
ρ:
Densidad.
G:
Modulo de rigidez.
αP:
Coeficiente de atenuación practico.
αT:
Coeficiente de atenuación teórico.
CE-1:
Eco colateral 1.
CE-2:
Eco colateral 2.
S:
Separación entre transductores.
t:
Espesor del material.
TL:
Tiempo de la onda lateral.
TB:
Tiempo del eco de fondo.
f:
Frecuencia.
V:
Velocidad del medio.
VT:
Velocidad transversal.
VL:
Velocidad longitudinal.
T:
Periodo.
SPB:
Recorrido sónico hasta la base de la entalla (máxima amplitud).
SPT:
Recorrido sónico hasta la punta de la entalla (máxima amplitud).
θ:
Angulo de refracción
d:
Altura del defecto medida desde la superficie interna del material.
xi
1
I. INTRODUCCIÓN
Debido a las condiciones de operación presentes en refinerías e industrias petroquímicas,
caracterizados por altas temperaturas, presión y presencia de medios corrosivos, la ocurrencia de
algunas formas de degradación por corrosión en los aceros inoxidables austeníticos van a estar
presentes, tales como: corrosión intergranular, carburización, corrosión bajo tensión, corrosión
por ácidos nafténicos y cambios microestructurales que originan agrietamiento, como el asociado
a la formación de un compuesto intermetálico conocido como fase sigma. La detección temprana
de estos tipos de daño permite la operación de componentes y equipos de forma segura,
preservando así la integridad y confiabilidad en condiciones de servicio, por lo que es de vital
importancia el uso de los ensayos no destructivos (END), específicamente por ultrasonido. Esta
técnica permite detectar, caracterizar, dimensionar y evaluar aquellos defectos considerados
como activadores de alguna falla, así como el agrietamiento generado en servicio y
discontinuidades producidas durante la fabricación o manufactura de los equipos, las cuales
eventualmente pudieran dar inicio a la generación y propagación de grietas.
En el caso de las refinerías, la experiencia ha determinado el uso de un número
relativamente pequeño de materiales, entre los cuales se incluyen los aceros al carbono, de baja y
media aleación y los aceros inoxidables. Siendo, en la actualidad de gran uso, los aceros
inoxidables con alta resistencia a la corrosión, pero difíciles de inspeccionar debido a su compleja
microestructura, por lo cual se requiere desarrollar técnicas especiales de ultrasonido que permita
la evaluación de estos materiales, asegurando de esta forma una alta efectividad en la detección y
dimensionamiento de aquellos mecanismos de degradación que pudieran poner en riesgo la
integridad mecánica y confiabilidad operacional de recipientes y tuberías que sean fabricadas con
estos aceros.
2
Por otro lado, los espesores requeridos tanto en los equipos como en las tuberías están
asociados a las condiciones de servicio y operación, por lo que en la evaluación de piezas con
bajo espesor el factor de seguridad requerido es mínimo, lo cual agudiza la situación desde el
punto de vista de degradación del material por servicio ya que pondría en riesgo la integridad
mecánica y operacional de los mismos.
El objetivo del trabajo fue caracterizar defectos planares en tres bloques de referencia de
acero inoxidable austenítico tipo, 304, 321 y 309, a través de las técnicas de inspección
ultrasónica: Pulso Eco, Ondas de Arrastre y TOFD. Los resultados obtenidos permitieron
establecer los criterios esenciales necesarios para desarrollar un procedimiento de inspección
por ultrasonido con técnicas especializadas, a fin de evaluar equipos y tuberías de bajo
espesor fabricados específicamente con aceros inoxidables austeníticos, los cuales son
altamente susceptibles al agrietamiento, durante condiciones particulares de servicio.
3
II
OBJETIVOS
2.1 General
La finalidad de este proyecto es caracterizar defectos inducidos en bloques de acero
inoxidable del tipo austenítico, a través de las técnicas de inspección ultrasónica: Pulso Eco,
Ondas de Arrastre y TOFD. Esto con el fin de establecer los criterios esenciales para
desarrollar un procedimiento de inspección por ultrasonido con técnicas especializadas,
necesarias
en la evaluación de equipos y tuberías de bajo espesor fabricados en acero
inoxidable austenítico los cuales son altamente susceptibles al agrietamiento, en
determinadas condiciones de servicio.
2.2 Específicos
¾
Análisis microestructural de los aceros 304, 321 y 309.
¾
Diseñar y fabricar los bloques de referencia.
¾
Determinar el coeficiente de atenuación y velocidad acústica en cada uno de los
materiales bajo estudio.
¾
Análisis y dimensionamiento de las entallas a través de los métodos de evaluación
ultrasónica.
¾
Evaluar cual de las tres técnicas empleadas es la más efectiva en la inspección por
ultrasonido de estos materiales (de bajo espesor) tanto nuevo como sensibilizados.
4
III
ANTECEDENTES
Petróleos de Venezuela (PDVSA) actualmente no cuenta con un procedimiento de
inspección por ultrasonido para la evaluación de equipos con espesores menores o iguales a
12,7 mm y construidos con acero inoxidable austenítico, siendo éste un material de gran uso
en las Refinerías y Petroquímicas de PDVSA. Es por ello que el estudio promueve el
desarrollo y análisis de técnicas capaces de detectar y dimensionar con precisión defectos
planares tipo grieta, proporcionando así, los criterios fundamentales para la generación a
futuro de un procedimiento de inspección ultrasónica en estos aceros. Para ello es importante
conocer que las propiedades del ensayo por ultrasonido en materiales austeníticos se ven
disminuidas en comparación a cuando es aplicado en soldaduras ferríticas, debido a la
presencia de grandes granos elongados y anisotrópicos formando una estructura columnar
ordenada característica de la soldadura austenítica. Este tipo de microestructura confiere al
ultrasonido un comportamiento anisotrópico dentro del material en contraste con el
comportamiento isotrópico (en promedio) observado en soldaduras ferríticas. [1]
El tamaño, orientación y anisotrópia elástica de la microestructura austenítica, tiene
como resultado un elevado nivel de dispersión de la onda de ultrasonido, asociado a
conversiones de modo de propagación, distorsión del haz y variación de la velocidad del
ultrasonido en el medio. Esto se observa como un alto nivel de ruido en la pantalla de los
detectores de discontinuidades (relación señal-ruido) y un alto nivel de atenuación. Estos
problemas están directamente influenciados por los siguientes factores:
•
Tipo de metal base. (soldaduras disímiles).
•
Método de producción. (laminado, forjado, fundido, etc.)
•
Procedimiento de soldadura. (geometría de la junta, calor de aporte, etc.)
•
Tratamiento térmico.
Los altos niveles de atenuación observados en este tipo de estructuras están altamente
relacionados con la dispersión debida al tamaño de grano y están en función de la frecuencia
del pulso ultrasónico. Bajas frecuencias penetrarán en el material de manera relativamente
5
más fácil que las altas. Otro factor que incrementa la atenuación es el recorrido sónico, lo
cual es de esperarse, ya que caminos muy largos incrementaran la trayectoria del haz
ultrasónico dentro del material con la consecuente interacción con un mayor número de
granos. Es por tal razón que no existe hasta hoy un procedimiento genérico preestablecido
para la inspección de estos materiales. [1]
Sin embargo se han realizado algunos intentos para establecer algunos criterios para la
evaluación de estos aceros, como es el caso de obtener información microestructural sobre el
metal de soldadura y zona afectada por el calor (ZAC), la cual posteriormente puede ser usada
para predecir algunas propiedades de la soldadura. [2,3]
La capacidad de inspección ultrasónica se ha incrementado a través de métodos
automatizados y manuales con la intención de detectar y dimensionar defectos inducidos en
algunos patrones, esta tendencia se ha visto particularmente gracias a tres grandes empresas
que fabrican patrones en acero inoxidable. [4]
La técnica de Tiempo de vuelo de la Onda Difractada (Time of Flight Diffraction
TOFD), es una herramienta hoy en día ya estandarizada [5] y es por eso que ha podido ser
utilizada hasta el momento sólo en la evaluación de grietas embebidas en superficies con
recubrimientos de acero inoxidable.
[6]
TOFD, como técnica de detección y
dimensionamiento es considerada hoy en día como una de las más eficientes ya que se ha
cuantificado defectos tipo grieta inducidos por fatiga con alturas de hasta 0,8 mm. [7] Por otro
lado, es una técnica que utiliza ondas longitudinales las cuales tienden a sufrir menos
atenuación que las transversales, aunque estas ultimas son igualmente utilizadas. En la
imagen B-Scan, se pueden apreciar perturbaciones en la zona que es barrida por ondas
transversales, lo cual proporciona información sobre el metal base puesto que estas ondas
viajan más lentamente. [8]
En los aceros inoxidables austeníticos los valores de la velocidad ultrasónica, varían en
su propagación debido a los cambios por anisotrópia y heterogeneidad del material, lo cual
causa cambios de dirección en el haz ultrasónico, limitando de esta manera el uso de ondas
transversales en la inspección por ultrasonido.[9] Esto es por supuesto un problema, a la hora
de establecer o seleccionar las variables intrínsecas en la inspección por ultrasonido como lo
son frecuencia y ángulo de refracción.
6
IV
4.1.
MARCO TEORICO
Aceros Inoxidables
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los
mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la
humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros
son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas
extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con
fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de
petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales.
También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir
huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales.
4.2.
Efectos de los Elementos de Aleación
Los elementos de aleación específicos y sus cantidades determinan el tipo de acero de
aleación y sus propiedades particulares. Los efectos principales de algunos de los elementos
más comunes son: [14]
Aluminio
Empleado en pequeñas cantidades, actúa como un desoxidante para el
acero fundido y produce un acero de grano fino.
Boro
Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser
endurecido).
Cromo
Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al
desgaste y corrosión.
Cobre
Mejora significativamente la resistencia a la corrosión atmosférica.
7
Manganeso
Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un
desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre,
facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en
caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su
resistencia y dureza.
Molibdeno
Mediante el aumento de la penetración de temple, mejora las
propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y
resistencia a altas temperaturas.
Níquel
Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la
temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. Al
emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la
resistencia al desgaste.
Silicio
Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero
aleado.
Azufre
Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Sin
embargo, alguna veces se agrega intencionalmente en grandes
cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la maquinabilidad
(habilidad para ser trabajado mediante cortes) de los aceros aleados y
al carbono.
Titanio
Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento
granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas.
Tungsteno
Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas,
impartiéndoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas
temperaturas.
8
4.3
Aceros Inoxidables Austeníticos o Serie 300
Los aceros inoxidables de la serie 300 son aceros al cromo níquel clasificados como
austeníticos y son los más utilizados. Los aceros inoxidables que contienen cromo se vuelven
austeníticos mediante la adición de níquel, un fuerte agente estabilizador de la fase
metalúrgica austeníta. La resistencia a la corrosión de los austeníticos de la serie 300 es
incrementada significativamente por el níquel, el cual refuerza la resistencia de la película
pasivante en ambientes fuertemente ácidos.
Los aceros inoxidables austeníticos presentan una amplia gama de propiedades
mecánicas que no son ofrecidas por otras aleaciones conocidas actualmente. Estos aceros
inoxidables, como su nombre lo indica, presentan una microestructura austenítica a
temperatura ambiente, son no-magnéticos y no pueden ser endurecidos por tratamiento
térmico, aún cuando su resistencia mecánica puede ser incrementada considerablemente
mediante el trabajo en frío. Los aceros inoxidables austeníticos presentan buena ductilidad y
tenacidad conjuntamente con elevados niveles de resistencia mecánica. Estas propiedades se
mantienen aún a temperaturas criogénicas.
Las propiedades típicas de los aceros inoxidables austeníticos son aptas para una
amplia gama de aplicaciones. Resisten a la corrosión presente comúnmente en obras
arquitectónicas, son inmunes a los ambientes en el procesamiento de alimentos, resisten
químicos orgánicos, tintes y una amplia variedad de químicos inorgánicos. Son utilizados
extensivamente en el almacenamiento de gases licuados, en equipos expuestos a
temperaturas criogénicas, en aparatos y otros productos de consumo, en equipos para la
cocina, en equipos para hospitales, en el transporte y en el tratamiento de aguas residuales.
4.4
Aplicaciones
Hoy en día en las refinerías existen muchos recipientes a presión y tuberías fabricadas
con aceros inoxidables, siendo la metalurgia más común los aceros de la serie 300, esto con
la finalidad de disminuir el efecto corrosivo que ciertos ambientes operacionales contienen.
Dentro de algunos sistemas de tubería y equipos estáticos está el de remoción de calor
residual, línea de gases de escape del regenerador en plantas de craqueo catalítico (Fluid
9
Catalytic Cracking, FCC), componentes de calentadores en plantas de flexicoque (Delay
Cocking) los cuales distribuyen los gases provenientes del gasificador, que son requeridos
dentro del calentador, como medio de calentamiento del coque frío, y así muchos más. [10]
Con respecto a la resistencia contra la corrosión durante el refinamiento de crudo, el
ataque por ácidos nafténicos, es uno de los mecanismos más común y por tal razón se
recomienda el uso de aceros inoxidables austeníticos, como por ejemplo el tipo 316 con un
mínimo contenido de molibdeno, que según la fuente de información varía de 2,3 a 2,5%.
Debido a que la especificación del 316 establece un contenido de molibdeno entre 2 y 3%, y
a la alta posibilidad de que se supla con un contenido de molibdeno menor que 2,3-2,5%, se
acostumbra a especificar acero inoxidable austenítico tipo 317 que debe tener un contenido
de molibdeno entre 3 y 4%, con el que se garantiza exceder siempre el mínimo de 2,3-2,5%
de molibdeno. Hay quienes incluso especifican acero inoxidable austenítico tipo 317M que
tiene entre 4 y 5% de molibdeno. [11]
El acero inoxidable austenítico tipo 316 contiene nominalmente 17% de cromo, 12%
de níquel y 2,5% de molibdeno. Es, en consecuencia, una aleación más costosa que el acero
inoxidable tipo 410, que sólo contiene nominalmente 11,5-13,5% de cromo.
El acero
inoxidable austenítico tipo 304 no contiene molibdeno sino solamente, de manera nominal,
19% de cromo y 9% de níquel. Es, en consecuencia, superior al acero inoxidable tipo 410,
pero inferior al acero inoxidable tipo 316. El acero inoxidable austenítico tipo 304, por no
contener molibdeno, se dice que no posee la misma resistencia a la corrosión por ácidos
nafténicos que el 316, pero es definitivamente superior al acero inoxidable tipo 410. Los
aceros tipo 321 y 347 son muy similares al 304, pero son estabilizados con pequeñas
adiciones de titanio y niobio. La estabilización es para combatir la sensitización, que es otro
problema que nada tiene que ver con la corrosión por ácidos nafténicos. [11]
El acero inoxidable es ampliamente usado en la industria petrolera especialmente en
refinerías, a continuación en la Tabla 4.1, se listan las aleaciones más empleadas por planta,
rangos de temperatura y algunos mecanismos de degradación asociados al servicio. [10]
10
Tabla 4.1
Planta
Rangos de
temperatura
(°C)
Destilación de
Crudo
343-371
Flujo
Craqueo
Catalítico
(FCC)
de
493-760
Delay Coking
Hidrodesulfuri
zadoras
339-510
371-415
Hidrógeno
704-954
Aminas
25-123
Alquilación
4.5
Hasta 38
Aceros inoxidables más usados en plantas de refinería.
Equipos
Torres de vacío, líneas de
tubería, internos (platos de
la torre)
Ciclones del regenerador,
colectores,
válvulas,
boquillas de alimentación a
la línea de transferencia
recubrimientos internos del
fraccionador.
Revestimiento interno de
los Tambores de coque,
líneas de transferencia,
bombas, platos internos del
fraccionador
y
el
despojador de gasoil.
Aceros
Inoxidables
(según AISI)
[10]
Mecanismos de
degradación según el
servicio.
405, 410, 304, Sulfuración, ataque
316
ácidos nafténicos
304, 321 y 347
en
algunos
Sulfuración y
casos especiales
por picaduras
pudiera tenerse
405 y 410
304, 316, 410S Corrosión
(cladding)
nafténicos.
Intercambiadores de calor,
tuberías, reactores de baja 347, 321, 304,
presión, platos internos del 430, 304L 316
fraccionador
por
por
corrosión
ácidos
Agrietamiento
intergranular por ataque de
acido
politiónico,
corrosión por H2S y ataque
por hidrogeno a altas
temperaturas.
Condensadores de vapor,
reformadores
verticales,
Agrietamiento
inducido
304, 304L, 310,
supercalentadores,
por
esfuerzo
(SCC),
330, 410, 430,
generadores de vapor,
Termofluencia (creep)
tuberías, internos.
Corrosión por bióxido de
Platos
internos
del 304, 316, 329 carbono, el cual es un
regenerador, rehervidor
410
ácido más fuerte que el
sulfuro de hidrógeno.
Corrosión generalizada en
Tubos
de
función
de
la
intercambiadores, internos 316, 316L
concentración de ácido
de los separadores
fluorhídrico
Tipos de Corrosión que inducen agrietamiento
Los defectos planares tipo grieta son los que más peligro pueden generar en cualquier
planta cuya metalurgia contemple al acero inoxidable (austenítico) ya que eso implica
servicio de altas temperaturas y ambientes altamente agresivos. Es por tal razón que se deben
explicar brevemente algunos tipos de mecanismos de degradación que se deberían tener
presente al momento de realizar inspección por ultrasonido.
11
4.5.1
Corrosión Intergranular
Cuando los aceros austeníticos son calentados o enfriados en un rango de temperaturas
de 427-899°C, se sensibilizan motivado a la emigración del carbono hacia los bordes de
grano y al combinarse con el cromo, forma precipitados de carburos de cromo, esto
disminuye la cantidad de cromo y por ende la resistencia a la corrosión. En la Figura 4.1 se
puede observar el agrietamiento intergranular ocasionado por la combinación del carbono
con el cromo.
Figura. 4.1
Ataque intergranular en un acero inoxidable AISI-316, el cual resultó de la precipitación de
cromo (o sensitización). La sensitización de un acero inoxidable austenítico puede ocurrir cuando son
calentados o enfriados en el rango de temperaturas de 427-899ºC.
[10]
4.5.2 Agrietamiento inducido por esfuerzo
La experiencia ha revelado algunos criterios para que este tipo de corrosión pueda
ocurrir y entre ellas están:
12
¾ Aleaciones susceptibles y condiciones metalúrgicas favorables.
¾ Esfuerzos tensiles.
¾ Ambientes agresivos
¾ Tiempo
Uno de los factores más importantes son los esfuerzos tensiles que pudieran estar
presentes en el material, así como altos esfuerzos residuales producto de la fabricación de
equipos por soldadura.
En el caso de los aceros inoxidables austeníticos, estos son muy susceptibles en
ambientes ricos con cloruro a altas temperaturas. Cuando la superficie del material es
sometida a altos calentamientos en ésta se produce una evaporación concentrando así a los
cloruros y aumentando la probabilidad que ocurra el agrietamiento bajo tensión (transversal
stress corrosion cracking TSCC), el cual una vez iniciado es muy difícil que se detenga. El
agrietamiento generado por este mecanismo es transgranular. En la Figura 4.2 se muestra
una grieta típica de este mecanismo de degradación.
Figura-4.2
Grieta transgranular activada por esfuerzo y corrosión.
[10]
4.5.3 Agrietamiento por Ácido Politiónico
Es una forma especial de agrietamiento bajo tensión, es decir un agrietamiento que se
da aceleradamente cuando el material se encuentra en ambientes de ácido politiónico las
grietas se observan de forma intergranular tal como se observa en la Figura 4.3. Los aceros
13
inoxidables austeníticos tienden a ser muy sensibles a este mecanismo de degradación en el
rango de temperaturas de 427-816°C y una característica del ataque por ácido politiónico es
que se forma normalmente cuando hay una parada de los equipos (se apagan).
Figura 4.3
Agrietamiento inducido por esfuerzo bajo un ambiente corrosivo, este es el caso del SS-321
[10]
por efecto de ácido Politiónico.
4.5.4 Corrosión Ácidos Nafténicos
Son ácidos orgánicos presentes en el crudo y cerca del 25-30% de las refinerías tienen
problemas con este ácido. Cuando en las plantas destiladoras se alcanzan temperaturas de
221-399°C y a altas velocidades del fluido especialmente en las líneas de transferencia se
forman tanto reducción de espesores puntuales en forma de surcos así como también
cascarillas tal como se muestra en la Figura 4.4.
Figura 4.4
Cascarilla y entallas en la superficie del material producto de ácidos Nafténicos.
[10]
14
4.5.5 Corrosión por Sulfuración (o Sulfidación)
Cuando el material está en presencia de sulfuros entonces se forma una capa la cual no
es coherente y por ende no uniforme permitiendo así un acelerado inicio de agrietamiento en
forma intergranular. En la Figura 4.5 se puede observar la fuerte corrosión ocasionada por
este tipo de degradación en el material.
Figura 4.5
Obsérvese la agresiva corrosión sufrida en esta herramienta producto de una exfoliación
gracias al ambiente de azufre en el cual estaba.
[10]
4.5.6 Fragilidad por fase sigma
La fase sigma es un compuesto de hierro-carbono que se forma en aceros inoxidables
al Cr y CrNi en el rango de temperaturas 500-900°C, dando como resultado una disminución
perjudicial de la tenacidad del acero.
Este fenómeno ocurre a bajas temperaturas,
especialmente durante los períodos de parada ó de recalentamiento y se forma
preferencialmente a lo largo de los límites de grano. Véase la Figura 4.6.
15
Figura 4.6
4.6
Obsérvese la microestructura afectada por fase sigma.
[24]
Soldabilidad
Los aceros inoxidables austeníticos se consideran tener buena soldabilidad ya que
pueden ser unidos por cualquier proceso de soldadura. Las consideraciones más importantes
a tomar en cuenta de los aceros inoxidables austeníticos durante la soldadura son:
agrietamiento por solidificación, agrietamiento en caliente, distorsión y mantener su
resistencia a la corrosión.
El agrietamiento en caliente y por solidificación está directamente relacionado con la
química del metal de soldadura y las fases metalúrgicas resultantes que se forman en la
soldadura. El mecanismo para ambos modos de agrietamiento es el mismo. En general, el
agrietamiento por solidificación se da en la zona de fusión mientras que el agrietamiento en
caliente se presenta en la zona parcialmente fundida.
La medida más común de
susceptibilidad al agrietamiento en caliente es el número de ferrita presente en el metal de
soldadura, así pues en las soldaduras de los aceros inoxidables austeníticos se requiere una
cantidad mínima de ferrita delta, para resistir el agrietamiento. La cantidad de ferrita en el
metal de soldadura es principalmente una función tanto del metal base como de la química
del metal de soldadura. Para las soldaduras hechas sin aporte de metal, la química del metal
base debe ser apropiada para producir pequeñas cantidades de ferrita que son necesarias para
evitar el agrietamiento. Si la química del metal base no permite la formación de la ferrita,
entonces el metal de aporte es recomendado para producir la cantidad de ferrita adecuada en
la soldadura. Pequeñas cantidades de nitrógeno absorbidas en el metal de soldadura pueden
16
reducir la formación de la ferrita. Un mínimo de ferrita entre el 5%-20% es suficiente para
evitar el agrietamiento.
La soldabilidad de los aceros inoxidables austeníticos se puede también afectar por la
presencia de los altos niveles de elementos con bajos puntos de fusión, tal como el azufre, el
fósforo, el selenio, el silicio y el columbio, los cuales incrementarán la susceptibilidad al
agrietamiento en caliente. La distorsión es más acentuada en los aceros austeníticos en
comparación con los aceros al carbono ya que la conductividad térmica de los inoxidables
austeníticos es un tercio de la de los Aceros al carbono y el coeficiente de expansión térmica
es el 30% mayor, por lo tanto la distorsión es mayor para los aceros inoxidables austeníticos
que para los aceros al carbono. [14]
La soldadura puede reducir la resistencia a la corrosión en las regiones de la ZAC en
algunos aceros inoxidables austeníticos, sobre todo en áreas expuestas a temperaturas entre
800°F - 1650°F (427°C-900°C) por un tiempo suficientemente largo se puede obtener
precipitación de carburos de cromo en los límites de grano, lo cual, deja una cantidad
insuficiente de cromo para procurar conservar la protección necesaria de la película de óxido.
Existen soluciones para este problema, que es bajar el contenido de Carbono evitando así la
precipitación del Cromo. Se considera en la práctica un 0.03% de Carbono como máximo
para prevenir la sensibilización. Un segundo método de prevención es añadir a la solución
Titanio, Niobio o Tantalio. Estos tres elementos tienen alta afinidad con el Carbono y
preferentemente forman Carburos, dejando el Cromo en solución. El último método es
raramente usado y consiste en un recocido de la soldadura, una vez finalizada esta. El
recocido se hace a una temperatura entre 1038 y 1093 º C, en donde los Carburos que se
hubiesen producido, se disolverán. Luego, un enfriamiento rápido, por medio de un templado
en agua, los retendrá en solución, previniendo la sensibilización. [13]
Entre otras consideraciones a tomar está el evitar la formación de fase sigma (σ), la
cual es un compuesto ínter metálico concentrado de Hierro-Carbono, duro y frágil, que
puede ser solamente removido mediante un calentamiento a la temperatura de 1010ºC, en
donde este se disolverá. La formación de esta fase, se ve favorecida si las partes fabricadas
son destinadas para servicios con rangos de 590-930º C, o porque las piezas fabricadas
requieren tener un tratamiento térmico de alivio de tensiones sobre estos rangos, reduciendo
notablemente su ductilidad. a temperatura de 730º C la fase sigma se puede formar
17
rápidamente, pero a bajas temperaturas es necesario un tiempo mayor para su formación.
Una variación en la composición, cambiará la velocidad de formación de esta fase y la
temperatura a la cual se inicia. El Molibdeno y el Niobio aceleran la reacción sigma,
mientras que el Níquel eleva al máximo la temperatura a la cual esta fase aún está presente.
[12]
4.7
Ultrasonido
El Ultrasonido es un método de Ensayos No Destructivos (END), que está considerado
hoy en día como una de las herramientas más útiles para la detección de defectos y medición
de espesores. Debido a sus principios y características básicas, el ensayo ultrasónico es
usado en una gran variedad de productos tales como: soldaduras, forjas, fundiciones,
tuberías, plásticos, planchas, cerámicas, etc.
El ensayo por ultrasonido es aplicado en la detección de discontinuidades internas en el
material. Por ésta razón se le considera como un método de inspección volumétrico más
efectivo para el aseguramiento y control de la calidad.
Los criterios de ensayo se establecen de acuerdo con los procesos de fabricación,
clasificándose así las fallas o defectos que pudieran presentarse en piezas de ensayo. Esto
plantea que cada pieza debe ser ensayada individualmente antes de ser ensamblada, así como
también, se debe ensayar el conjunto completo de acuerdo con los requerimientos de la
especificación. Esto quiere decir, que se debe seleccionar el procedimiento de ensayo y a su
vez generarse procedimientos de prueba desde el más alto nivel del proceso de fabricación,
para así obtener la mayor calidad al más bajo costo.
4.7.1
Velocidad acústica (V)
Es la distancia recorrida por una onda en un medio en una unidad de tiempo; en otras
palabras, es la velocidad de propagación del sonido en el medio.
La velocidad acústica es una constante para cada material dado, para cualquier
frecuencia y longitud de onda. Sin embargo, esto no es del todo cierto pues, la velocidad va
18
a depender, especialmente en los gases y líquidos de la presión, temperatura y de otros
parámetros. Ahora bien, en muchos sólidos tales como metales, ésta influencia se puede
despreciar.
Se pueden calcular las velocidades acústicas de diversos tipos de ondas a partir de
constantes elásticas del material como el modulo de Elasticidad (E) y la relación de Poisson
(µ) los cuales están relacionados con las ondas longitudinales y ondas transversales
respectivamente y a continuación se describen cada uno de estos modos de propagación.
4.7.1.1 Ondas Longitudinales
Se denomina onda longitudinal, ya que las oscilaciones ocurren en dirección de la
propagación.
Debido a que están activas en ellas fuerzas de compresión y dilatación,
también reciben el nombre de ondas de compresión.
Esta es la verdadera onda de carácter audible, ya que transmite las oscilaciones de una
fuente de energía acústica a través del aire hasta nuestro oído. Este mismo tipo de onda
puede transmitir la energía ultrasónica en líquidos y sólidos.
Este modo de propagación es el más comúnmente usado en los ensayos por ultrasonido
debido a que es el más fácil de generar y detectar, en la Figura 4.7 se observa las
características principales de una onda longitudinal.
Dirección de movimiento
de la partícula
Dirección de
propagación
Onda
longitudinal
Figura-4.7
Características de una onda longitudinal.
[15]
19
Las ondas longitudinales también se pueden calcular aplicando la ecuación (4.1) [16] la
cual implica propiedades intrínsecas del material.
VL =
1− µ
ρ (1 + µ )(1 − 2µ )
E
Ecuación (4.1)
Donde:
¾
VL = Velocidad Longitudinal
¾
E = Modulo de elasticidad
¾
µ = Coeficiente de poisson
¾
ρ = Densidad.
4.7.1.2 Ondas Transversales
En los cuerpos sólidos también se transmite otro tipo de onda, conocida como onda
transversal, la cual se puede observar en la Figura 4.8, en donde se representa tanto su
dirección de propagación como el movimiento de sus partículas.
Dirección del movimiento
de partículas
Dirección de
Propagación
Onda Transversal
Figura-4.8
Características de una onda transversal.
[15]
Podemos observar que en éste caso, las partículas no oscilan según la dirección de
propagación sino en ángulo recto, es decir, transversalmente. Este modo de onda también se
le conoce como onda de cizalladura.
20
Los gases y los líquidos son prácticamente incapaces de transmitir ondas transversales,
ya que sus moléculas apenas ofrecen resistencia al deslizamiento transversal, por lo tanto no
existirán vínculos elásticos que las liguen en su posición cero. Esta circunstancia coincide
con la propiedad de tener un módulo de rigidez o elasticidad transversal (G) igual cero.
Las ondas transversales también las podemos calcular aplicando la ecuación (4.2) [16]
VT =
E
1
ρ 2(1 + µ )
Ecuación (4.2)
La cual puede resumirse en:
VT =
G
ρ
Ecuación (4.3)
Donde:
¾
VT =Velocidad Transversal.
¾
E = Módulo de elasticidad.
¾
G = Módulo de rigidez.
¾
µ
=Coeficiente de poisson.
¾
ρ
= Densidad.
Es importante hacer notar, que las velocidades acústicas longitudinales y transversales
cumplen una relación constante y directa, y es:
5
VT = VL
9
Ecuación (4.4)
Por esta razón, la onda transversal tiene una longitud de onda menor a la de la onda
longitudinal, a una misma frecuencia. Esto implica que la onda transversal es más sensible
en la detección de discontinuidades pequeñas pero también más fáciles de dispersarse en el
material.
21
4.7.2 Transductores ó Palpadores
En un ensayo de ultrasonido, el transductor está considerado como el ojo y el oído,
debido a que una vez transmitida la energía ultrasónica a través del material, éste recibirá las
reflexiones que resulten de la condición en que se encuentre ese material. Es por esta razón
que se debe considerar a éste como parte integrante de todo el sistema de inspección
ultrasónica.
Se dispone de una gran diversidad de transductores, bien sea por contacto directo o por
inmersión, sin embargo lo elemental de los transductores en una determinada aplicación es el
material piezoeléctrico con el cual son construidos. La piezoelectricidad no es más que un
fenómeno físico mediante el cual se puede generar ondas mecánicas a partir de una vibración
en el cristal piezoeléctrico influenciado éste por pulsos eléctricos.
Hoy en día la tecnología ha llevado a la construcción de transductores de alta
resolución basada en el mejoramiento de los cristales piezoeléctricos, como es el caso de los
piezocompuestos (piezocomposites), que no son más que mezclas de materiales cerámicos y
polímeros tal como resina epóxica, poliuretano y silicón elástico. Un esquema típico de
estos materiales en un transductor es colocar pequeñas barras de cerámica en una matriz
polimétrica tal como se muestra en la Figura 4.9. Debido a las excelentes propiedades
acústicas de estos materiales estas pueden ser manipuladas de tal forma que se logra generar
señales ultrasónicas de alta amplitud en amplios rangos de frecuencia lo que permite una
excelente penetración de la energía sónica en los materiales bajo estudio o inspección,
permitiendo así la detección de defectos más pequeños (grietas) en piezas o materiales que
en otras ocasiones se tornaba más dificultoso.
Cilindros
cerámicos
Figura-4.9
Arreglo típico de un piezocompuesto, obsérvese los pequeños cilindros de cerámica en una
matriz de polimérica.
22
4.7.3 Atenuación
Hasta ahora sólo se ha supuesto un material ideal, en el que la presión acústica se
atenúa, en virtud de la divergencia del haz.
Sin embargo, en los materiales sólidos se da un efecto, más o menos pronunciado, de
atenuación que se traduce en una debilitación de la energía ultrasónica, debido a dos causas:
dispersión y absorción, constituyendo ambas la atenuación.
4.7.3.1 Dispersión
La dispersión se debe a que los materiales no son estrictamente homogéneos.
Contienen superficies límites o entrecaras pequeñas, en las que la impedancia acústica
cambia bruscamente, debido a la diferente densidad o velocidad acústica de los materiales,
de naturaleza, condición o estado diferente en dichas entrecaras.
Algunas de estas heterogeneidades pueden ser:
¾ Inclusiones, tales como las inclusiones en los aceros.
¾ Tamaños de grano en los aceros y otras aleaciones.
4.7.3.2 Absorción
La absorción es una conversión directa de la energía ultrasónica en calor, debido a un
efecto de frenado de la oscilación de las partículas, lo cual explicaría también por que una
oscilación rápida pierde más energía que una oscilación lenta. La absorción generalmente
aumenta con la frecuencia, pero en menor grado que la dispersión.
Ambos fenómenos limitan las posibilidades de los ensayos no destructivos de
materiales, pero según dos vertientes ligeramente distintas:
¾
La absorción pura debilita la energía transmitida o la amplitud del eco, tanto de
la discontinuidad como de la pared de fondo. Para contrarrestar éste fenómeno
hay que recurrir al empleo de frecuencias más bajas.
23
¾
La dispersión, es mucho más perturbadora, ya que, en la técnica de pulso eco,
no sólo reduce la amplitud del eco de la discontinuidad y la de la pared de
fondo, sino que, además, produce numerosos ecos parásitos con diferentes
recorridos, el llamado césped o nivel de grama. Una manera de contrarrestar
este fenómeno es usar frecuencias muy bajas.
Además de los factores antes mencionados, existen otras fuentes de atenuación como
lo son las pérdidas por el medio acoplante (perdidas viscosas) y por fenómenos de
difracción, producto de la rugosidad superficial del material. [16]
4.7.4.
Ley de la atenuación
Además de los factores antes mencionados, existen otros tales como: pérdidas por el
medio acoplante, dispersión por la rugosidad en la superficie, todo esto es también
considerado como factores de atenuación. [16]
La ley de variación de la presión acústica de una onda plana, que decrece
exclusivamente por efecto de la atenuación, es una función exponencial, dada por la
siguiente formula:
P = P0 e −αS
Ecuación (4.5)
P0
P
Ecuación (4.6)
αS = Ln
Donde:
¾ 1NEPER= 8,68 decibeles (dB)
Por definición matemática:
Lnx = 2,302 Logx
P
αS = 20 Log o ( dB )
P
Ecuación (4.7)
24
4.7.5
Calibración del sistema de ultrasonido
Para la ejecución de la calibración de los sistemas ultrasónicos, se utilizan bloques o
piezas metálicas con discontinuidades artificiales que son usadas para dos propósitos, uno de
los cuales se refiere a la determinación de las características de operación del instrumento y
del transductor. La otra es establecer y reproducir los ecos provenientes de las indicaciones
durante los ensayos en piezas o muestras.
Cuando se requiere determinar las características de la operación de un equipo los
bloques empleados son de “calibración”. Cuando comparamos la ubicación o altura de una
discontinuidad obtenida de una pieza de ensayo, decimos que los bloques son de
“referencia”.
4.7.5.1 Bloques normalizados de referencia.
En el ensayo por ultrasonido todas las indicaciones son comparadas con las recibidas
de un bloque normalizado de referencia. Estos son utilizados para estandarizar los equipos
ultrasónicos durante los ensayos de piezas en general. Esta estandarización se realiza por
dos razones:
¾
Chequear que el conjunto equipo-transductor funcionen como se
requiere.
¾
Seleccionar el nivel de sensibilidad o ganancia para detectar así las
discontinuidades según sean sus dimensiones en la pieza de ensayo.
La evaluación de las señales generadas por las distintas discontinuidades se efectúa
comparándolas, con aquellas señales obtenidas por una discontinuidad artificial, con
dimensiones conocidas tales como: profundidad y tamaño en un bloque normalizado de
referencia del mismo material.
La razón por la cual los bloques estándar son hechos del mismo material es, porque se
debe reproducir las mismas condiciones de atenuación del sonido.
Entre los bloques más comúnmente utilizados está:
25
¾
Serie I.I.W. ( V1 y V2).
¾
Bloques Especiales.
4.7.5.1.1
Serie I.I.W. V-1 Y V-2
Los bloques normalizados de referencia I.I.W (International Institute of Welding), son
usados tanto para la calibración en distancia como en sensibilidad, según el Código
Estructural para Acero (Structural Welding Code-steel) de la AWS (American Welding
Society).
Son muy útiles en el chequeo del funcionamiento, tanto de transductores normales
como transductores angulares, así como para evaluar la operabilidad de los equipos e
instrumentos. El material de fabricación de estos bloques es especificado por el I.I.W.,
siendo un acero de bajo contenido de carbono y normalizado (tratamiento térmico) con
tamaño de grano N° 8.
4.7.5.1.2 Bloque V-1
El bloque de referencia I.I.W. V-1, es el bloque de calibración por excelencia, utilizado
para el ajuste y sensibilidad de transductores, tanto de haz normal como angular. Este
modelo de bloque se puede obtener de dos tipos y en dimensiones, tanto inglesas (pulgadas)
como internacionales (Sistema Métrico Decimal).
En la Figura 4.10 se muestra un
esquemático del bloque V-1.
Figura-4.10
Bloque de referencia V-1.[15]
26
4.7.5.1.3
Bloque V-2
Adicionalmente al bloque V-1, existe un bloque normalizado de referencia que se
utiliza para la calibración de la base de tiempo con transductores angulares y se conoce
también con el nombre de bloque miniatura.
Este bloque está basado en los mismos
conceptos de diseño que el bloque V-1, pero es más pequeño y más liviano.
El bloque miniatura, al igual que el bloque V-1, puede ser usado para la calibración de
transductores de haz normal y angular, de acuerdo a la calibración por distancia. En la Figura
4.11 se muestra un bloque V-2 o miniatura.
Figura-4.11
4.7.5.1.4
Bloque de referencia V-2 o Miniatura. [15]
Bloques especiales
Son todos aquellos bloques de referencia mecanizados para situaciones especificas, es
decir son patrones que se fabrican bajo las mismas especificaciones metalúrgicas que el
material a inspeccionar y además deben contener una serie de reflectores tales como entallas
y agujeros, con la finalidad de poder establecer los niveles de sensibilidad necesarios para la
correcta evaluación de la integridad operacional de los diversos equipos y tuberías que se
encuentran en las refinerías y otras plantas. Dentro de las normas por la cual se rigen los
lineamientos para la construcción de los patrones de referencia esta el código ASME sección
IV y V. En la Figura 4.12 se muestra un bloque de referencia construido bajo las exigencias
del código ASME.
27
Figura-4.12
4.8
Bloque de referencia según el código ASME Sección V.
[17]
Técnicas de Ultrasonido
Son aquellas técnicas indispensables para la detección, caracterización, evaluación y
dimensionamiento de defectos tipo grieta.
4.8.1
Pulso Eco (con incidencia angular)
Esta técnica por contacto directo, emplea un arreglo de un solo transductor con
incidencia angular que actúa como emisor y receptor, generándose así ondas transversales
dentro del material bajo estudio. Estas ondas tienen un tiempo de vuelo que al interactuar
con los diferentes defectos y la superficie interna del material, generan señales de cierta
amplitud (eje vertical) y ubicación (eje horizontal) en la pantalla del equipo, en donde
arribarán primero aquellas que más alejadas se encuentren de la superficie interna. Así
también estas señales generadas por los tiempos de vuelo de las ondas ultrasónicas son leídas
directamente en la pantalla del equipo en unidades de ingeniería, sea cm, mm o pulgadas.
La imagen que se obtiene con los equipos convencionales es conocida como imagen AScan y en la Figura 4.13 se muestra una representación general de la técnica.
28
Unidad
de poder
Base de
Tiempo
Generador
de pulsos
Circuito
de
Amplitu
Figura-4.13
4.8.2
Receptor y
Amplificado
r
Trasnductor
Representación general de la técnica Pulso-Eco angular.
Onda de arrastre (Creeping Wave)
La onda de arrastre que viaja por la superficie interna (Creeping Wave ID) es generada
usando un ángulo alto de aproximadamente 70° de refracción con onda longitudinal, con éste
también se genera o esta asociado una onda transversal (onda transversal directa) con un
ángulo de 30°, el cual se conoce como
Eco Colateral 1 (Collateral Echo, CE-1).
Adicionalmente, también se genera una onda transversal indirecta a partir de la onda de
arrastre que viaja por la superficie externa y esta presenta un ángulo de 31,5°. La onda
transversal indirecta, se conoce como Eco Colateral 2 (Collateral Echo, CE-2) choca con la
superficie interna del material y por modos de conversión se transforma en una onda
longitudinal la cual se mueve o se “arrastra” a lo largo de la superficie interna pudiéndose así
detectar defectos conectados o abiertos a la misma. En la Figura 4.14 se puede apreciar los
distintos haces ultrasónicos correspondientes a CE-1, CE-2 y 70L. [18]
29
70L u Onda Longitudinal
directa
CE-2 Onda transversal indirecta
31,5° cuyo modo de conversión en
OL crea la onda de arrastre
(a)
Onda de arrastre (Creeping
Wave ID)
CE-1 Onda
directa 30°
transversal
CE-2
(b)
CE-1
70-L
Figura-4.14
(a) Haces ultrasónicos y modos de conversión que caracterizan a la técnica Creeping wave
(onda de arrastre). (b) Representación de los haces ultrasónicos en una pantalla A-Scan.
La energía de la señal producida por la CE-2 es de muy breve duración por lo tanto su
patrón eco-dinámico es muy corto y es extremadamente sensible a las grietas de poca altura.
La señal CE-1 comúnmente se conoce como 30-70-70, se produce cuando la onda transversal
directa choca con la superficie interna del material a un ángulo crítico y se convierte en una
onda longitudinal de 70°. Este modo conversión de onda longitudinal choca con una de las
caras de la grieta cuya altura esté cercana a la mitad del espesor del material, reflejando así
igualmente una onda longitudinal pero a un ángulo de 70°. La eco-dinámica para esta señal
es bastante amplia lo que da indicios de un defecto bastante grande en altura. [18]
La onda longitudinal de 70° (70L) que se refleja desde la extremidad superior del
defecto, depende del tipo de transductor, de la frecuencia y del material, la señal producida
por este tipo de onda solo se aprecia cuando los defectos alcanzan una altura entre el 40 y
30
50% del espesor de pared. En la Figura 4.15 se puede apreciar la ausencia o la presencia de
las señales 70L, CE-1 y CE-2, y además se da una estimación cualitativa de la profundidad
del defecto, así como también las eco-dinámicas, amplitudes correspondientes y algunas
técnicas de dimensionamiento complementarias.
Señal A-Scan
Área afectada
CE-2
Sospecha de un
defecto con
gran altura
CE-1
70L
Técnicas de
dimensionamiento
complementarias
Sup Ext.
Onda
longitudinal
refractada y
Bi-Modal
Fuera de la zona
de 1/3 T
CE-2
Defecto entre la
mitad del
espesor o de
gran altura
CE-1
70L
Onda
longitudinal
refractada y
Bi-Modal
En el medio de la
zona de 1/3 T
CE-2
Defecto con
altura mayor al
15-20% del
espesor de
pared
CE-1
UT por
Difracción de
punta de grieta
y
Bi-Modal
Dentro de la zona de
1/3 T
CE-2
Defecto con
altura menor al
15-20% del
espesor de
pared
UT por
Difracción de
punta de grieta
Sup Int.
Figura-4.15
Diagrama de flujo para el dimensionamiento de defectos tipo planar por ultrasonido.
[18]
31
4.8.3
Pulso Satélite (Tip Diffraction)
El método pulso satélite, se basa en el choque producido por el haz ultrasónico con la
base del defecto planar tipo grieta lo cual a su vez causa una irradiación de la energía sónica
en forma de onda esférica en la punta y a lo largo de la longitud del mismo. Para más detalle
obsérvese la Figura 4.16.
Transductor
Onda
Esférica
Grieta
Figura-4.16
Presentación general de la técnica de difracción por punta de grieta o pulso satélite.
La onda difractada es generalmente una señal de baja amplitud, tanto es así que la
identificación correcta de la señal proveniente de la punta o extremidad de la grieta se hace
difícil. El empleo de transductores con ángulos de 45°, frecuencias de 5 MHz y valores de
ganancia acertados (dB) hacen posible la detección o visualización de la señal difractada,
permitiendo así, cuantificar el tamaño en cuanto a altura de grietas, conectadas a la superficie
interna del espesor de pared del material bajo estudio. [18]
4.8.4
TOFD (Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada)
TOFD frente a las técnicas convencionales tiene una gran ventaja y es que puede
detectar las señales difractadas por discontinuidades y/o defectos, procesarlas de manera que
estas puedan ser discernidas entre el eco de fondo y del ruido estructural. Además permite la
creación de una imagen en la que se puede diferenciar e identificar la presencia, localización
de defectos y ubicarlos exactamente con respecto a la geometría del material bajo estudio.
También, debido a la amplia cobertura producida por la gran divergencia del haz ultrasónico
generado por los transductores empleados en TOFD, ésta no es dependiente como el pulsoeco a las variaciones en la posición y orientación del defecto respecto al ángulo nominal del
32
transductor. Esto hace que TOFD sea menos subjetivo en su aplicación y más efectivo en la
detección, caracterización y dimensionamiento de las discontinuidades y/o defectos.
La aplicación de esta técnica requiere de un arreglo de dos transductores tipo tandem
en el cual uno de ellos actúa como emisor y el otro como receptor de señales ultrasónicas.
Este arreglo se muestra en la Figura 4.17. La separación a la cual se encuentran los
transductores es una función del espesor del material a inspeccionar.
Los transductores empleados en esta técnica se encuentran acoplados a zapatas
apropiadas con el objeto de lograr una incidencia angular del haz, cuya divergencia cubre el
volumen del material delimitado por los transductores.
2S
Tx
Rx
Onda Lateral
d
Ondas
Difractadas
Eco de Fondo
Figura-4.17
T
Arreglo típico empleado en la técnica TOFD.
Las ecuaciones involucradas para establecer los parámetros tanto de calibración como
dimensionamiento de las discontinuidades y/o defectos detectados se presentan a
continuación:
2
S = × t × tan θ
3
Ecuación (4.8)
TL =
2S
C
Ecuación (4.9)
TB =
2
× S 2 + t2
C
Ecuación (4.10)
∆T = TB − TL
Ecuación (4.11)
33
f =
1
T
Ecuación (4.12)
Td =
2
× S2 + d2
C
Ecuación (4.13)
d=
2
1
⎡⎣TD2C 2 + 4TD2CS ⎤⎦
2
Ecuación (4.14)
El haz ultrasónico genera diversos modos de propagación, entre los que se pueden
citar:
La onda lateral. Este es un modo de propagación que sigue el menor camino entre los
transductores, razón por la cual es la primera en arribar al receptor. Esta señal representa la
superficie sobre la cual se encuentran los transductores, indicando su ubicación y detectando
cualquier indicación adyacente a la misma. En esta inspección la onda lateral representa la
superficie externa del separador, ya que los barridos se realizaron desde el exterior de éste.
Las ondas longitudinal y transversal, Estos modos se propagan en el interior del
material a diferentes velocidades, barriendo todo el volumen de éste, detectando
discontinuidades internas y produciendo una reflexión especular en la superficie opuesta.
Esta segunda señal, conocida como eco de fondo, arriba en un tiempo mayor y, representa, la
ubicación y estado de esta superficie. La región de la imagen delimitada por la onda lateral y
el eco de fondo, representa un corte transversal del interior del material.
Las ondas difractadas y reflejadas, que se producen por la interacción del haz
ultrasónico con las discontinuidades presentes en el interior del material inspeccionado. Esta
arrivarán en tiempos intermedios entre la onda lateral y el eco de fondo.
Todas las señales obtenidas a partir de estos modos de propagación son representadas
en una imagen bidimensional tipo B-Scan obtenida en tiempo real, a medida que se
desplazan los transductores sobre la superficie del componente. Una imagen típica, obtenida
en el laboratorio se muestra en la Figura 4.18.
En esta imagen, el eje horizontal representa el desplazamiento de los transductores sobre
la superficie de inspección, la cual se realiza en forma continua. El eje vertical representa los
34
tiempos de llegada de las señales provenientes de la onda lateral, de las ondas reflejadas y
difractadas por las discontinuidades presentes en el material y del eco de fondo.
Sup. Externa
Grieta
Espesor
Sup. Interna
Figura- 4.18
Imagen típica B - Scan, obtenida por la aplicación de la técnica TOFD.
A partir de este tipo de imagen es posible ubicar, dimensionar y caracterizar las
discontinuidades presentes en el material inspeccionado. El dimensionamiento se realiza
automáticamente, empleando los tiempos de llegada de las señales generadas tanto por las
discontinuidades como por las superficies límites del componente.
35
V
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En la Figura 5.1 se muestra el esquema experimental seguido durante el presente
estudio. En éste se identifican las diferentes fases a seguir hasta lograr los resultados y su
posterior análisis.
CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES
(AISI-304, AISI-321, AISI-309 Y AISI-321S)
Estudio Metalografico.
CONTRUCCIÓN DE PATRONES
(Mecanizado de entallas y taladrado de agujeros)
INSPECCIÓN POR ULTRASONDIO
(Calibración)
Detección y dimensionamiento de entallas
Difracción por Punta de Grieta
Onda de Arrastre
TOFD
(45º/0,375 plg/5MHz)
(70º/2MHz)
(70º/6 mm/10MHz)
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE
RESULTADOS
Figura-5.1
Diagrama de flujo de las etapas a seguir durante el procedimiento experimental.
36
5.1.
Análisis metalográfico
Los materiales estudiados son aceros inoxidables austeníticos cuyos grados y espesores
se listan en la Tabla 5.1. Es importante acotar que de las muestras de acero AISI-321 una de
ellas estuvo sometida en condiciones de servicio por lo que se clasifica como AISI-321(S) con
la finalidad de diferenciarla de la muestra en estado de entrega. Todas las mediciones
realizadas tanto de espesores como de la altura de las entallas fueron realizadas con un vernier
marca MITUTOYO con una presición de ± 0,01 mm.
Tabla 5.1
Aceros inoxidables austeníticos usados en el análisis metalográfico.
Grado
Espesor
(AISI)
(mm)
321
12,7
304
12,7/9
309
13,2
321(S)
13,2
Se realizaron cortes de cada una de las muestras de acero inoxidable presentadas en la
tabla antes mencionada, para su posterior preparación metalográfica la cual consistió en
desbaste, pulido, ataque y toma de fotomicrografías según la ASTM E3 01.
[20]
Las
microestructuras fueron reveladas mediante un ataque electroquímico (6V) cuyo reactivo fue
ácido oxálico al 10%, el tiempo de ataque estuvo entre 15-30 segundos. Una vez atacadas las
muestras se tomaron fotomicrografías en distintos aumentos para su posterior evaluación y
caracterización.
5.2.
Diseño y construcción de bloques de referencia
Los materiales empleados para este trabajo de investigación fueron tres aleaciones de
acero inoxidable austenítico. En el estudio se decidió considerar espesores muy bajos, en
base a que muchas de las líneas de transferencia presentan tales condiciones, por lo que es
necesario obtener patrones o bloques de referencia que permitan realizar las calibraciones de
sensibilidad y de tiempo a fin de asegurar la detección de anomalías en el material.
37
Los bloques de referencia se diseñaron con la finalidad de establecer los criterios de
aceptación y/o rechazo, basándose en reflectores tales como, entallas a distintas profundidades
así como también agujeros en zonas críticas como la soldadura y la zona afectada por el calor
(ZAC). En la figura 5.2 y 5.3 se muestran todos los diagramas o planos con las dimensiones
más importantes para el mecanizado de las entallas en los materiales AISI-304, 321 y 309.
1
(a)
4
2
6
5
3
C ARA "B"
1
A
4
A
D
2
D
4
(b)
B
B
3
C
5
C
C ARA "A"
Figura-5.2.
(a) Vista de planta del bloque AISI-321. (b) Detalle de los cortes para la visualización de las
entallas mecanizadas en el bloque de referencia AISI-321.
38
CORTE A-A
CORTE C-C
2,56mm
3
t= 12,8 mm
1
30 %t
3,84mm
20%t
Entalla 1 h= 1,28
5
Detalle
CORTE B-B
h
w
50 %t
6,25mm
2
5,12mm
40%t
4
h
w
CORTE D-D
h= altura de la entalla,en este caso debe ser el 10% de t
w= ancho de la entalla,en este caso debe ser el 18 "
por el calor.
Altura= 5% del espesor
Longitud= 25,4 mm
Ancho= 3mm
0,64mm
Entalla mecanizada en la zona afectada
6
Vistas laterales
CARA A
Agujeros taladrados en la zona afectada por el calor.
La distribución de los agujeros deberá ser equidistante entre ellos, ocupando
así toda la línea de fusión.
Diámetro= 1,5 mm
Profundidad= 25,4mm
Cantidad= 3
Diámetro= 1,5 mm
Profundidad= 25,4mm
Cantidad= 3
1/2 de t
CARA B
Agujeros taladrados en la zona afectada por el calor.
La distribución de los agujeros deberá ser equidistante entre ellos, ocupando
así toda la línea de fusión.
Diámetro= 1,5 mm
Profundidad= 25,4mm
Cantidad= 3
Figura-5.3.
Detalles de las dimensiones de las entallas en vistas laterales.
39
En la Figura 5.4 se muestra el bloque de referencia construido en AISI-304 de 9 mm de
espesor, con las entallas mecanizadas al 10%, 20% y 30% del espesor (t) (a) y además se
ilustra un esquema (b) en corte transversal para identificar y especificar las dimensiones en
altura o profundidad de las entallas.
t= 9 mm
25 mm 25 mm
25 mm
(1)
25 mm
25 mm
(2)
10 % de t
25 mm 25 mm
20 % de t
(3)
30 % de t
181,5 mm
Figura-5.4
Esquema general de las dimensiones requeridas para la fabricación del bloque de referencia
304 de espesor 9 mm (a). Corte transversal indicando las dimensiones en profundidad o altura de las entallas (b).
En la Figura 5.5 se muestra una vista de planta del patrón o bloque de referencia
fabricado en 309 cuyo espesor es de 13,2 mm. Las profundidades de las entallas fueron
mecanizadas al 10% y 20% del espesor.
235 mm
25 mm
71 mm
(1)
25 mm
Figura-5.5
25 mm
(2)
25 mm
Esquema de las dimensiones requeridas para el mecanizado de las entallas en donde (1) es la
entalla a 10% del espesor y (2) al 20% del espesor.
40
5.3
Medición de velocidades
5.3.1
Onda Longitudinal
Con una velocidad de onda longitudinal conocida (vk) de un material estandarizado, se
puedo determinar el valor de la velocidad de onda longitudinal del material desconocido (vl).
Para ello se siguieron los siguientes pasos, según la norma ASTM E-494-05: [21]
1. Se seleccionaron los patrones o bloques de referencia, cuyos espesores fueron
medidos con una precisión de ± 0,02 mm o 0,1%..
2. Se colocó el transductor sobre la superficie obteniéndose una señal característica
(véase la Figura 5.6) de tantos ecos como sea claramente definidos. Se mantuvo
el rango en 75 mm, igual para ambos materiales.
3. Utilizando un vernier se midió la distancia sobre el eje horizontal (base de
tiempo) entre el borde del primer eco y el borde del segundo eco, los cuales
deben ser observados según el rango utilizado. Para mayor precisión se aumento
la ganancia (dB) del último eco lo suficiente, esto con el fin de lograr al menos
la misma amplitud inicial del primer eco. El recorrido ida y vuelta del haz
ultrasónico a través del espesor se conoce como “round trip” (rt). La cantidad de
ecos estimados dentro del rango seleccionado fue de al menos 6 rt.
4. A través de la siguiente ecuación se calculó la velocidad longitudinal:
vl =
(Ak nl vk tl )
(Al nk tk )
Ecuación (5.1)
41
Ak =Distancia medida sobre la base de tiempo del A-scan en el material conocido.
nl = Número de round trips del material desconocido.
vk =Velocidad del material conocido (m/s)
tl = Espesor del material desconocido (m).
Al =Distancia medida sobre la base de tiempo del A-scan en el material desconocido.
nk = Número de round trips del material conocido.
tk = Espesor del material conocido (m).
1
2
3
4
Round
Trip
5
6
7
Ak
Figura-5.6
5.3.2
A-scan con los 7 ecos y 6 rond trips.
Onda Transversal
Conocida la velocidad de la onda longitudinal (vt) de un material estandarizado, se pudo
determinar el valor de la velocidad de onda transversal del material desconocido (vs). Para
ello se efectuaron los siguientes pasos, según la norma ASTM E-494-05: [21]
1. Se seleccionaron los patrones o bloques de referencia, cuyos espesores fueron
medidos con una precisión de ± 0,02 mm o 0,1%..
2. Se colocó el transductor sobre la superficie obteniéndose una señal característica
de tantos ecos como sea claramente definidos. Se mantuvo el rango en 105 mm
en cada uno de los materiales.
42
3. Utilizando un vernier se midió la distancia sobre el eje horizontal (base de
tiempo) entre el borde del primer eco y el borde del segundo eco, los cuales
deben ser observados según el rango utilizado. Para mayor una precisión, se
aumentó la ganancia (dB) del último eco lo suficiente para lograr al menos la
misma amplitud inicial del primer eco.
El recorrido ida y vuelta del haz
ultrasónico a través del espesor se conoce como “round trip” (rt). La cantidad de
ecos estimados dentro del rango seleccionado fue de al menos 6 rt.
4. El cálculo de la velocidad se realizó según la siguiente ecuación:
vS =
(At nS vt tS )
(AS nt tt )
Ecuación (5.2)
At =Distancia medida sobre la base de tiempo del A-scan en el material conocido.
ns = Número de round trips del material desconocido.
vt =Velocidad del material conocido (m/s)
ts = Espesor del material desconocido (m).
As =Distancia medida sobre la base de tiempo del A-scan en el material desconocido.
nt = Número de round trips del material conocido.
tt = Espesor del material conocido (m).
Un ejemplo de cálculo es mostrado en el anexo A.
5.4
Medición de atenuación
En la determinación del coeficiente de atenuación se realizó el siguiente
procedimiento: [22]
1. En la medición se utilizó un transductor de 5 MHz y 9,37 mm de diámetro. Una
vez acoplado sobre el material se obtuvo una serie de 8 ecos, visualizados en un
rango en 75 mm.
2. El eco inicial (A0) se llevo hasta un 80% de la altura de la pantalla verificándose
las alturas de los ecos seleccionados, en éste caso se seleccionó el eco 4 (A4).
Luego de la misma manera se hizo con los ecos contiguos al eco inicial, es decir
con A1, A2 y A3 y respectivamente la altura de los ecos A5, A6 y A7. Esto con la
43
finalidad de establecer las siguientes relaciones. A1/A5, A2/A6 y A3/A7. (Véase
la Figura 5.7)
3. Posteriormente se determinó un promedio de los valores obtenidos de las
relaciones anteriores y dicho promedio es equivalente a la relación A0/A4.
4. A través de la siguiente ecuación se calcularon los decibeles (dB) de cada una de
las señales:
⎛A ⎞
dB = 20log ⎜ 0 ⎟
⎝ A4 ⎠
Ecuación (5.3)
¾ Finalmente, aplicando la siguiente ecuación se calculó el coeficiente de
atenuación:
αP =
1 1
× × dB
2t n
Ecuación (5.4)
Donde:
¾ α P = Coeficiente de atenuación propuesto
¾ t = espesor del material en (mm).
¾ n = numero de ecos involucrados.
80% de la
altura de
pantalla
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
Figura-5.7
Ecos involucrados en la medición de atenuación.
44
Una vez determinados los valores experimentales del coeficiente de atenuación estos
fueron comparados con los valores obtenidos teóricamente según la ecuación (5.5). En el
anexo B se muestra un ejemplo del cálculo efectuado.
1
t
⎛ A0 ⎞
⎟
⎝ A1 ⎠
αT = × 20 log ⎜
Ecuación (5.5)
Donde:
¾ α
T
= Coeficiente de atenuación teórico.
¾ t = espesor del material en (mm).
Para la parte de detección y dimensionamiento de los reflectores inducidos en los
patrones de referencia las tres técnicas utilizadas fueron Ondas de Arrastre, Pulso Satélite y
TOFD, las cuales será explicado su procedimiento a continuación:
5.5
Ondas de Arrastre (Creeping Wave).
La calibración fue realizada en un equipo de ultrasonido convencional marca
Panametrics modelo EPOCH III y un transductor de 2MHz (WSY70-2). Los ecos o pulsos
correspondientes a los tres modos de propagación CE-2, CE-1 y 70-L, se ajustaron con la
ayuda del rango y retrazo, hasta ubicarlos en las divisiones 5, 4 y 3 respectivamente. La
ganancia más la sensibilidad se estableció en función del material bajo estudio y los
resultados son mostrados en la Tabla 5.2.
Tabla 5.2
Valores de ganancia y sensibilidad empleados para la evaluación de las entallas.
Material
Espesor
Sensibilidad
(AISI)
(mm)
(dB)
321
12,7 ± 0,01
63,2+6
12,7 ± 0,01
63,2+6
9,00 ± 0,01
65,5+6
309
13,22 ± 0,01
71,5+6
321(S)
13,14 ± 0,01
71,9+6
304
45
Una vez detectada cada una de las entallas se precedió a evaluar las mismas con la
ayuda del flujograma presentado en la Figura 3.15.
5.6
Pulso Satélite (Tip Diffraction).
La evaluación se efectuó con un transductor de 5 MHz de onda transversal refractada
cuyo ángulo es de 45°. El equipo utilizado en la ejecución de la técnica es un EPOCH III.
Inicialmente se realizó la calibración de la base tiempo, para así obtener el valor de la
velocidad acústica del material, empleando para ello bloques patrón del tipo V-II o miniatura.
Una vez determinada la velocidad acústica del material, se procedió a determinar los niveles
de sensibilidad (dB), para ello el transductor fue ubicado sobre el bloque patrón a fin de
detectar la base de una entalla provista en el mismo. El eco proveniente de ésta, fue llevado
hasta el 80% del FSH (Full Screen Height o Altura Completa de Pantalla) registrándose el
recorrido sónico del mismo en su máxima amplitud. Inmediatamente con el ajuste del rango y
retrazo este eco se posiciona en la división 10 de la base de tiempo, esto permitió
posteriormente barrer sobre la entalla con el fin de detectar la señal difractada emitida por la
punta, una vez ubicada se registro el recorrido sónico en su mayor amplitud para así efectuar
los cálculos a través de la ecuación 5.6. Los valores arrojados representan las alturas de cada
una de las entallas evaluadas. En el anexo C se muestra un ejemplo de cálculo.
d = ( SPB − SPT ) × cos θ
Ecuación (5.6)
¾
SPB = Recorrido (mm) sónico hasta la base de la entalla (máxima amplitud).
¾
SPT = Recorrido (mm) sónico hasta la punta de la entalla (máxima amplitud).
¾
θ=
Ángulo de refracción (45°).
¾
d=
Profundidad o altura (mm) del defecto medida desde la superficie
interna del material.
En la Figura 5.8 se muestra esquemáticamente el procedimiento seguido.
46
Transductor
SPB
Transductor
Reflector
SPT
Reflector
80% FSH
Reflexión
debido a la
base del
reflector
Figura-5.8.
Señal
difractada
debido a la
punta
Arreglo explicativo en forma genérica para determinar la altura de un defecto planar
aplicando la técnica de Pulso Satélite.
5.7
TOFD (Tiempo de vuelo de la onda difractada).
Para la aplicación de TOFD se establecieron las variables esenciales de calibración
mostradas en la tabla 5.3, las cuales fueron establecidas en el software de TOFD que se
encuentra en el equipo Microplus. Previo a la introducción de los datos en el software se
realizaron algunos cálculos importantes como la separación entre transductores y el intervalo
de tiempo con el cual se determina la cantidad de pulsos necesarios dentro del material lo cual
permite seleccionar la frecuencia de oscilación con mayor precisión. En el anexo D se
muestra un ejemplo del cálculo.
En la figura 5.9 se puede apreciar la configuración empleada entre equipo y arreglo de
transductores en donde se observa la disposición de los transductores para el barrido así
también se detalla la señal A-scan obtenida durante la calibración sobre el bloque de AISI321.
47
Equipo Microplus
A-scan
Arreglo
de
transductores
Figura-5.9.
Configuración empleada durante la inspección por TOFD para la evaluación
del bloque AISI-321.
Es importante resaltar que la calibración con TOFD fue realizada bajo los parámetros
exigidos por la norma británica BS-7706 y ASTM-E-2373.
48
Tabla 5.3
Variables esenciales par la aplicación de TOFD.
PATRON DE REFERENCIA AISI-321 (espesor 12,7 mm)
CALIBRACIÓN
Tipo de
Barrido
Tipo de
calibración
D no
Paralelo
D
Sensibilidad
de Referencia
Sensibilidad
de Barrido
Ancho de Banda
Ancho
de Pulso
Average
100 ns
16
Onda Lateral Onda Lateral Pase de Alta (f) : 1,5 MHz
20% 47 dB
20% 47 dB Pase de baja (f): 12 MHZ
INSTRUMENTACIÓN
Equipo
Tamaño
Angulo
Frecuencia
Microplus
6 mm de
diam.
70º
10 MHz
Transductores
Sonomatic
SA10BB/83-87
SEP
(mm)
Acoplante
100 ns
Aceite/agu
a
Ancho
de Pulso
Average
100 ns
16
SEP
(mm)
Acoplante
100 ns
Aceite/agu
a
PATRON DE REFERENCIA AISI-304 (espesor 9 mm)
CALIBRACIÓN
Tipo de
Barrido
Tipo de
calibración
D no
Paralelo
D
Sensibilidad
de Referencia
Sensibilidad
de Barrido
Ancho de Banda
Onda Lateral Onda Lateral Pase de Alta (f) : 1,5 MHz
20% 35 dB
20% 35 dB Pase de baja (f): 12 MHZ
INSTRUMENTACIÓN
Equipo
Tamaño
Angulo
Frecuencia
Microplus
6 mm de
diam.
70º
10 MHz
Transductores
Sonomatic
SA10BB/83-87
PATRON DE REFERENCIA AISI-309 sensibilizado (espesor 13,2 mm)
CALIBRACIÓN
Tipo de
Barrido
Tipo de
calibración
D no
Paralelo
D
Sensibilidad
de Referencia
Sensibilidad
de Barrido
Ancho de Banda
Onda Lateral Onda Lateral Pase de Alta (f) : 1,5 MHz
20% 45 dB
20% 45 dB Pase de baja (f): 9 MHZ
Ancho
de Pulso
Average
100 ns
16
SEP
(mm)
Acoplante
100 ns
Aceite/agu
a
INSTRUMENTACIÓN
Equipo
Tamaño
Angulo
Frecuencia
Microplus
6 mm de
diam.
70º
10 MHz
Transductores
Sonomatic
SA10BB/83-87
49
VI
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
6.1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
6.1.1.
Análisis microestructural
A continuación se muestran las microestructuras de un acero inoxidable en estado de
entrega así como en condiciones de servicio. En la Figura 6.1 se puede observar claramente
los granos austeníticos de un acero inoxidable austenítico AISI-304 sin haber estado en
servicio a altas temperaturas, esta fotomicrografía fue tomada a 400X. En la misma se aprecia
el maclaje producto del recocido de disolución, tratamiento térmico con que se suministra
este acero en condiciones de entrega. Con ello se garantiza que todos los elementos aleantes
estén en solución sólida en la matriz de acero austenítico. [13]
Macla
Figura-6.1
Microestructura correspondiente al AISI-304. Aumentos de 400X el ataque electroquímico fue
realizado con una solución de ácido oxálico al 10% y un voltaje de 6 V.
En la Figura 6.2 se observa la fotomicrografía obtenida de una muestra de acero
austenítico AISI-321 en estado de entrega y al igual al caso anterior la microestructura
obtenida es la típica de un acero inoxidable austenítico sin haber estado en servicio de altas
temperaturas. Esta fotomicrografía se obtuvo a 400X.
50
Figura-6.2
Microestructura correspondiente al AISI-321. Aumentos de 400X el ataque electroquímico fue
realizado con una solución de ácido oxálico al 10% y un voltaje de 6 V.
La Figura 6.3 muestra la fotomicrografía de un acero inoxidable AISI-321(S), el cual
estuvo en servicio en el rango de temperatura comprendido entre 500-700°C por largos
periodos de tiempo. En la misma se puede observar, la presencia de la fase sigma, compuesto
intermetálico de hierro-carbono que se forma en los bordes de grano en el rango de
temperaturas comprendido entre los 500 y los 900°C, originando una disminución
significativa de la tenacidad del acero. Por otro lado, se observa la formación de una fase
acicular tipo aguja, que se distribuye a todo lo largo de la matriz del grano, esta fase esta
asociada a carburos de cromo.
Fase
Sigma
Aglomeración de
carburos de cromo
Fase
acicular
Figura-6.3
Microestructura correspondiente al acero AISI-321(S). Aumentos de 1000X el ataque
electroquímico fue realizado con una solución de ácido oxálico al 10 % y un voltaje de 6 V.
51
La Figura 6.4 corresponde a la fotomicrografía de un acero AISI-309 cuya
magnificación es de 200X. En la misma se aprecia una variación microestructural producto
de los cambios de temperatura, apreciándose colonias de granos muy pequeñas junto a granos
de mayor tamaño característicos de los procesos de recristalización, además se observan
precipitados de carburos de cromo en los bordes de grano, característico de un material
cuando ha sido sometido a altas temperaturas.
Colonia de
granos
pequeños
Grano
grande
Figura-6.4
Borde de
grano con
carburos de
cromo
Microestructura correspondiente al Acero AISI-309 obtenida a 200.
6.2 EVALUACIÓN ULTRASONICA
6.2.1
Medición de velocidades
En la tabla 6.1 se reflejan los valores de velocidad obtenidos para cada una de las
muestras estudiadas de acero inoxidable austenítico. Es importante resaltar que el acero AISI1018 (acero al carbono) es el correspondiente al bloque de calibración V-2 el cual se empleó
solo para efectos de ayuda en el cálculo.
52
Tabla 6.1
Valores de velocidad obtenidos experimentalmente.
Velocidad de onda Velocidad de onda Velocidad de onda
Aceros y grado
Velocidad de onda
transversal
longitudinal (m/s)
transversal (m/s)
longitudinal (m/s)
experimental
experimental
teórica
AISI-1018
5916
3236
5900
3230
AISI-321
5739
3119
AISI-304
5738
3119
AISI-309
6270
3161
5800
3120
AISI-321(S)
5872
3275
(m/s)
teórica
De los valores obtenidos en la tabla 6.1 se puede observar que los mismos están dentro
de los rangos reportados para cada uno de ellos según la bibliografía consultada
[16]
. Sin
embargo, cabe destacar que los valores obtenidos para el acero AISI-309 y AISI-321(S), son
mucho más altos que el resto de los materiales estudiados y esto es producto de los distintos
cambios microestructurales que presentaron ambos aceros por efecto de la temperatura. En el
acero AISI 309, se produce un aumento significativo del tamaño de grano, esto afecta
principalmente la longitud de onda del haz, puesto que existen granos cuyo tamaño es
superior a la longitud de onda del haz ultrasónico. Por otro lado, para el acero 321S se
observa que dicho comportamiento es producto de la aparición de fases (sigma y acicular),
por cuanto el tamaño de grano no muestra ningún cambio significativo. Todas estos cambios
y alteraciones que sufren los aceros, modifican las propiedades de los mismos, tal es el caso
del módulo de elasticidad y del módulo de rigidez, factores primordiales en el viaje de las
ondas ultrasónicas a lo largo del espesor del material. Por otro lado, se incrementan los
efectos de atenuación por efecto de la absorción y dispersión del haz ultrasónico.
6.2.2
Atenuación
En la Tabla 6.2 se muestran los valores del coeficiente de atenuación obtenidos para los
dos modos de propagación de la energía ultrasónica. Es importante resaltar que el acero
AISI-1018 (acero al carbono) es el correspondiente al bloque de calibración V-2 el cual se
empleó solo para efectos de ayuda en el cálculo.
53
A fin de determinar los valores del coeficiente de atenuación de acuerdo a los modos de
propagación de la energía, durante las mediciones se estableció la ganancia en decibeles (dB)
y el rango para ondas longitudinales en 20 dB y 75 mm respectivamente y para ondas
transversales en 56,6 dB y 100 mm.
Tabla 6.2
Coeficientes de atenuación medidos experimentalmente comparados con los valores teóricos.
Acero y grado
(AISI)
Coeficiente de atenuación
experimental
Onda Longitudinal
(dB/mm)
(αE)
Coeficiente de
atenuación teórico
Onda Longitudinal
(dB/mm)
(αT)
Coeficiente de atenuación
experimental Onda
Transversal
(dB/mm)
(αE)
Coeficiente de
atenuación teórico
Onda Transversal
(dB/mm)
(αT)
1018
0,093
0,162
0,082
0,188
321
0,094
0,151
0,096
0,184
304
0,091
0,151
0,074
0,184
309
0,222
0,797
0,184
0,544
321S
0,114
0,364
0,132
0,352
De acuerdo a los valores de atenuación, se puede observar una variación poco
significativa entre el acero AISI-321, AISI-304 y el acero al carbono AISI-1018, esto también
se destaca en las mediciones de velocidad, obtenidas entre estos aceros. Sin embargo, cabe
destacar el comportamiento observado entre el acero AISI-321 y el AISI-321(S), éste último
en condiciones de servicio. En el mismo, se aprecia que el coeficiente de atenuación es mucho
mayor que el obtenido por el acero AISI 321. Esto se debe a los cambios microestructurales
ocurridos durante las condiciones de servicio a altas temperaturas, provocando así un aumento
en la dispersión y absorción del haz ultrasónico así como una disminución de la energía a
través del espesor.
Las mediciones de atenuación se realizaron utilizando ondas longitudinales y ondas
transversales. El transductor empleado fue de 5 MHz con 9.37 mm de diámetro, la única
diferencia entre ambos fue el medio de acople. Para el de onda longitudinal se utilizó aceite,
mientras que para el de ondas transversales se utilizó una grasa de vacío especial para la
transmisión de este modo de ondas. En ambos casos los materiales más atenuantes son el 309
y el 321S, inclusive al comparar los valores experimentales con los teóricos, se observó una
diferencia significativamente grande entre los mismos. Esto se debe a que la ecuación
experimental (4.4) incluye más variables que permiten afinar los resultados de la medición del
coeficiente de atenuación en comparación a la ecuación (4.5).
54
Por otro lado, el modo de propagación transversal tiende a verse más afectado cuando
los aceros inoxidables austeníticos presentan una gran diversidad microestructural como es el
caso de estos dos aceros estudiados (309 y 321S). El modo de propagación transversal tiende
a desaparecer al interactuar con la línea de fusión en el caso de soldaduras debido a la
diversidad microestructural generada precisamente por el efecto de temperatura, lo cual es
similar en el metal base de las dos aleaciones estudiadas, es por tal razón que se justifica aún
más el empleo de transductores cuyo modo de propagación sea por ondas longitudinales, [1] ya
que estas no son afectadas en gran escala.
La Figura 6.5 muestra el efecto de la atenuación en función de los cambios
microestructurales que tanto los aceros AISI-309 y AISI-321(S) presentaron durante su
exposición en ambientes con altas temperaturas. El acero AISI-309 muestra una atenuación
más pronunciada, originada por los distintos tamaños de grano que este acero presenta
producto de una posible recristalización, es así como la dispersión y la absorción de la energía
ultrasónica se ve afectada por las diferentes dimensiones de los granos.
55
Espesor
(a)
Múltiplos del
eco de fondo
Perdida de la energía
ultrasónica en forma
exponencial
Figura-6.5
(b)
(c)
(d)
(e)
Comportamiento del haz ultrasónico debido a la atenuación en los distintos materiales
utilizados para la determinación del coeficiente de atenuación con onda longitudinal. (a) Acero al carbono AISI1018, (b) AISI-304, (c) AISI-321, (d) AISI-309 sensibilizado y (e) AISI-321(S) también sensibilizado.
A continuación en la Figura 6.6 se observan los A-Scan obtenidos durante la evaluación
de la atenuación en las mismas aleaciones pero con ondas transversales. En ellas se observa
un comportamiento similar al obtenido con el haz ultrasónico longitudinal.
56
(a)
Espesor
Múltiplos del
eco de fondo
Perdida de la energía
ultrasónica en forma
exponencial
Figura-6.6
(b)
(c)
(d)
(e)
Comportamiento del haz ultrasónico debido a la atenuación en los distintos materiales
utilizados para la determinación del coeficiente de atenuación pero con ondas transversales. (a) Acero al carbono
AISI-1018, (b) AISI-304, (c) AISI-321, (d) AISI-309 sensibilizado y (e) AISI-321S también sensibilizado.
6.2.3.
Detección y dimensionamiento de los reflectores de referencia
Para la evaluación de los reflectores inducidos en los tres bloques de referencia, se
empleó tres técnicas de inspección ultrasónica tales como ondas de arrastre (Creeping Wave),
Pulso Satélite y TOFD, esto con la finalidad de establecer diferencias en cuanto a capacidad
57
en la detección y dimensionamiento de estos reflectores los cuales simulan defectos planares
tipo grieta que se pudieran originar durante el servicio de este tipo de material. Cabe destacar
que el dimensionamiento de las entallas está referido sólo a la altura y no en cuanto a longitud
ya que todos tienen 25 mm. Es importante resaltar que el material AISI-321(S) no fue
utilizado para esta parte de la evaluación.
6.2.4
Onda de arrastre (Creeping Wave)
Esta técnica solo proporciona información en cuanto a la detección, es decir si hay o no
grietas abiertas a la superficie interna, pero no se puede cuantificar de una manera precisa, si
no que en función de la presencia de los distintos modos de conversión y con la ayuda del
esquema presentado en la Figura 4.15 se puede estimar el tamaño del defecto. En la tabla 6.3
se listan los estimados en altura según las señales obtenidas.
Tabla 6.3
Valores estimados de altura para los distintos reflectores.
BLOQUE DE REFERENCIA AISI-321 (Espesor de 12,7 mm)
Valores
Teóricos
Entalla (1)
h=1,30±0,01
Entalla (2)
h=5,50±0,01
Entalla (3)
h=2,70±0,01
Entalla (4)
h=6,50±0,01
Entalla (5)
h=3,86±0,01
Entalla (6)
h=0,64±0,01
<15-20% de t
>15-20% de t
>15-20% de t
>15-20% de t
>15-20% de t
<15-20% de t
(h en mm)
Valores
Experimentales
(UT)
En las Figuras 6.7 y 6.8 se puede apreciar la capacidad de detección de las ondas de
arrastre cuando los defectos están conectados a la superficie interna del material. En la Figura
6.7 se muestra la señal A-scan obtenida durante la calibración de la onda de arrastre para el
patrón con AISI-321. En esta se puede discernir los tres modos de propagación ya antes
explicados.
58
CE-2
CE-1
70L
Figura-6.7
Calibración de la base de tiempo y sensibilidad de la técnica ondas de arrastre
A partir de la calibración realizada directamente sobre los bloques patrones se procedió
a barrer sobre la superficie de los mismos, con la finalidad de detectar las entallas allí
mecanizadas. En la Figura 6.8, se observa la señal A-scan de la entalla 1, cuya altura es de
1,30 ± 0,01 mm. En la misma, se aprecia una indicación en donde sólo se detalla el eco CE-2
correspondiente a la onda de arrastre, que detecta sólo la base de la entalla pero por presentar
muy poca altura no es capaz de detectar los otros dos modos de propagación como lo son el
CE-1 y la 70-L. La amplitud de la señal (dB) fue disminuida hasta 5 dB, con el fin de que la
señal correspondiente al CE-2 alcance un 80% FSH (Full Screen Height o altura completa de
pantalla).
CE-2
Figura-6.8
Entalla 1 (1,30 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
En la Figura 6.9 se muestra la señal A-Scan obtenida de la entalla 2, en la misma se
aprecian dos ecos (CE-2 y CE-1) de acuerdo a estos resultados la altura de la entalla deberia
59
ser menor a 6,4 mm y efectivamente es asi ya que la altura para esta entalla es de 5,50 ± 0,01
mm.
CE-2
Fig. 5.9. Entalla 2
CE-1
Figura-6.9
Entalla 2 (5,50 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
En la Figura 6.10 el A-Scan obtenido proviene de la entalla 3, en esta figura a diferencia
con la Figura 6.7, es que se puede detallar con cierta dificultad el eco de la CE-1 lo que indica
una entalla con altura mayor a 1 mm, es importante resaltar que acá se redujo los decibeles o
la ganancia en 7,5 dB para llevar el eco de la CE-2 al 80% FSH, de acuerdo a estos resultados
la altura de la entalla es mayor que en el caso obtenido con la entalla 1 y efectivamente la
altura de la entalla 3 es de 2,70 ± 0,01 mm.
CE-2
CE-1
Figura-6.10
Entalla 3 (2,70 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
El A-Scan mostrado en la Figura 6.11 fue obtenido de la entalla 4 obsérvese claramente
tanto la CE-2 como la CE-1 y la 70-L de acuerdo a estos resultados la altura de la entalla es
cercana al valor medio del espesor de pared o sea 6,7 mm y efectivamente su altura es de 6,5
± 0,01 mm resaltando la alta capacidad de detección de la técnica y por supuesto con la ayuda
60
del flujograma mostrada en la Figura 4.15, la estimación del tamaño de las entallas es casi
acertada. Es importante resaltar de esta figura la alta amplitud del eco CE-1 lo que conlleva a
una ecodinámica bastante amplia, es decir una permanecía del pulso en el tiempo,
confirmando así que el haz ultrasónico propio de este modo de propagación (CE-2) se
mantiene en contacto con la superficie vertical de la entalla mientras el transductor hace su
recorrido adelante y atrás
CE-2
CE-1
Ecodinámica
de la CE-1
70-L
Figura-6.11
Entalla 4 (6,50 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
El A-Scan mostrado en la Figura 6.12 fue obtenido de la entalla 5 obsérvese claramente
tanto la CE-2 como la CE-1 pero acá detállese que el eco de la CE-1 es de menor amplitud y
su ecodinámica es muy corta, lo que se supone que la altura para esta entalla es menor que en
el caso de la entalla 4 pero mayor con respecto a las entallas 1 y 3. Este comportamiento
indica que es una entalla de altura menor al valor medio del espesor de pared y efectivamente
la altura para ésta es de 3,86 ± 0,01 mm.
CE-2
CE-1
Figura-6.12
Entalla 5 (3,86 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
61
El caso mostrado en el A-Scan de la Figura 6.13 fue obtenido de la entalla 6 obsérvese
la señal correspondiente a CE-2 la cual es de muy baja amplitud y por ende los otros dos
modos no se aprecian motivado a que la altura de la entalla es muy pequeña, ya que la
cantidad de energía ultrasónica reflejada, es baja en cuanto a la amplitud del pulso y esto es
debido a que el área reflectora es pequeña. Esto se confirmó al medir la entalla con un vernier
cuyo valor fue de 0,64 ± 0,01 mm lo cual es bastante pequeño en comparación con el resto de
las otras, sin embargo lo importante de la técnica es su capacidad de resolver o detectar
defectos bastante pequeños y es muy probable que su limitación sea para alturas inferiores a
los 0,5 mm.
CE-2
Figura-6.13
Entalla 6 (0,64 ± 0,01 mm) del patrón AISI-321.
Como ya se mencionó anteriormente esta técnica solo puede detectar los defectos que
estén conectados a la superficie interna del material sin embargo con la ayuda del flujograma
de la Figura 4.15, se puede hacer una idea de cuan grande es el defecto que se ha detectado, al
detallar los resultados obtenidos de las señales A-scan presentadas en las diferentes figuras, la
entalla 4 fue la que reveló una mejor definición de los tres modos de propagación ultrasónica
por lo tanto es la que tiene mayor altura. Por otra parte la entalla con menor altura es la
número 6 cuyo valor es de 0,64 mm.
En la Tabla 6.4 se reportan los valores de las entallas mecanizadas en el patrón de
referencia AISI-304 de espesor 9 mm.
62
Tabla 6.4
Valores de altura para las entallas del patrón AISI-304 de espesor 9 mm.
BLOQUE DE REFERENCIA AISI-304 (Espesor de 9 mm)
Valores Teóricos
Entalla (1)
Entalla (2)
Entalla (3)
(h en mm)
h=0,92 ± 0,01 mm
h=2,02 ± 0,01 mm
h=3,01 ± 0,01 mm
<15-20% de t
>15-20% de t
>15-20% de t
Valores Experimentales
(UT)
A continuación se muestran las señales A-Scan obtenidas en el bloque de referencia
AISI-304 de espesor de pared 9 mm. En la Figura 6.14 se muestra la calibración con ondas de
arrastre.
CE-2
CE-1
70-L
Figura-6.14
Calibración por ondas de arrastre en el bloque de referencia AISI-304 cuyo espesor de pared es
de 9 mm. Detállese una vez más los tres modos de propagación ultrasónica. Ganancia 65,5 dB.
En la Figura 6.15 perteneciente a la entalla 1, se puede observar tanto la CE-2 como la
CE-1 con bastante claridad aunque la ecodinámica de la CE-1 es muy breve motivado a que la
altura de la entalla es de 0,91 ± 0,01 mm.
63
CE-2
CE-1
Figura-6.15
Señal A-Scan obtenida de la entalla 1 del bloque de referencia AISI-304 de espesor 9mm. La
entalla para este bloque es de 0,92 ± 0,01 mm
En la Figura 6.16 se observa además de los ecos CE-1 y CE-2, la 70-L estos resultados
indican que la altura de la entalla está por debajo de la mitad del espesor ya que la 70-L es de
muy baja amplitud además la ecodinámica asociada con el eco CE-1 es muy breve. Esto se
corroboró al medirla con un vernier (2,02 ± 0,01 mm).
CE-2
CE-1
70-L
Figura-6.16 Señal A-Scan obtenida de la entalla 2 del bloque de referencia AISI-304 de espesor 9mm. La
entalla para este bloque es de 2,02 ± 0,01 mm
El A-Scan mostrado en la Figura 6.17 fue obtenido de la entalla 3 obsérvese claramente
tanto la CE-2 como la CE-1 y la 70-L. Así pues la altura del defecto o entalla es cercana al
valor medio del espesor de pared (4,5 mm) y efectivamente la altura de esta entalla es de 3,01
± 0,01 mm. Es importante resaltar de esta figura la alta amplitud del eco CE-1 dando como
resultado una ecodinámica amplia respecto a los casos anteriores implicando así un mayor
contacto del haz ultrasónico con la superficie vertical de la entalla.
64
CE-2
CE-1
70-L
Figura-6.17
Señal A-Scan obtenida de la entalla 3 del bloque de referencia AISI-304 de espesor 9mm. La
entalla para este bloque es de 3,01 ± 0,01 mm
Para el caso del bloque de acero inoxidable AISI-309 los valores de altura estimados se
listan en la Tabla 6.4
Tabla 6.4
Valores de altura de los reflectores de referencia del bloque AISI-309.
BLOQUE AISI-309 (espesor = 13,2 mm)
Valores Teóricos
Valores Experimentales
Entalla (1)
Entalla (2)
h=1,35 ± 0,01 mm
h=2,01± 0,01 mm
<15-20% de t
>15-20% de t
En la Figura 6.18 se muestra la calibración con ondas de arrastre efectuada sobre este
bloque y detállese que a pesar de tener un tamaño de grano no homogéneo la energía
ultrasónica pudo penetrar este espesor, claro está la ganancia en decibeles se aumentó
producto de la atenuación y se estableció en 71,5 dB. Por lo tanto aunque sea una metalurgia
difícil de inspeccionar por ultrasonido y que además esté afectada por las altas temperaturas sí
fue posible detectar y dimensionar las entallas que en este bloque se indujeron
mecánicamente, las cuales se podrán observar en las Figuras 6.19 y 6.20.
65
CE-2
CE-1
70-L
Figura- 6.18
Calibración por ondas de arrastre en el bloque de referencia AISI-309 cuyo espesor de pared es
de 13,2 mm. Detállese una vez más los tres modos de propagación ultrasónica.
En la Figura 6.19 se muestra que el eco CE-2 es de baja amplitud debido a la atenuación
y que además la altura de la entalla es bastante pequeña, el resultado de la medición con el
vernier fue de 1,35 ± 0,01 mm.
CE-2
Figura-6.19
A-Scan de la entalla 1 obtenida del bloque AISI-309.
Entalla con altura de 1,35 ± 0,01 mm.
A diferencia en la Figura 6.20 si se puede apreciar los dos modos de propagación y esto
es debido a que la altura de la entalla es mayor que en el caso anterior, sin embargo no es lo
suficientemente alta para tener una ecodinámica considerable por lo tanto ésta es mucho
menor a la mitad del espesor del patrón (6,6 mm). La altura del reflector medida con vernier
fue de 2,01 ± 0,01 mm, tal como se preveía.
66
CE-1
CE-2
Figura-6.20
A-Scan de la entalla 2 obtenida del bloque AISI-309.
Entalla con altura de 2,01 ± 0,01 mm.
5.2.5.
Pulso satélite (Tip Diffraction)
A continuación se presentan los resultados obtenidos durante la aplicación de la técnica
Pulso Satélite o difracción de punta de grieta. Es importante mencionar que para la aplicación
de esta técnica se utilizó un transductor de 5 MHz, diámetro 9,37 mm y una zapata con ángulo
de refracción de 45° y el acoplante utilizado fue aceite mineral. Acá se evaluó solo la altura
de las entallas mecanizadas en los bloques de referencia tal como se ilustró en la Figura 5.8
presentada en el capítulo de Procedimiento Experimental. En la Tabla 6.5 se listan los valores
de recorrido sónico como el valor de altura calculado por la ecuación (5.6), es importante
resaltar que para cada caso se realizaron 5 mediciones con la finalidad de determinar el error
porcentual que pudiera arrojar la estimación de la altura de los reflectores, estos valores
fueron reportados en la Tabla 6.6 y solo para efectos del cálculo se tomo el valor promedio de
la altura para cada una de las entallas. En el Anexo C se muestra un ejemplo del cálculo
realizado.
67
Tabla 6.5
Recorridos sónicos promediados para cada entalla.
BLOQUE DE REFERENCIA AISI 321 (Espesor de 12,7 mm)
SPB
SPT
Entallas
d
Cos (45°)
1
(mm)
(mm)
(mm)
N/A
N/A
N/A
N/A
18,10
10,07
0,707
5,67
18,10
14,59
0,707
2,48
18,10
8,92
0,707
6,49
18,10
12,43
0,707
3,60
N/A
N/A
N/A
N/A
h=1,30±0,01
2
h=5,50±0,01
3
h=2,70±0,01
4
h=6,50±0,01
5
h=3,86±0,01
6
h=0,64±0,01
Tabla 6.6
Valores promedio de altura y estimación del error.
BLOQUE DE REFERENCIA AISI-321 (Espesor de 12,7 mm)
Entalla (1)
Entalla (2)
Entalla (3)
Entalla (4)
Entalla (5)
Entalla (6)
h=1,30±0,01
h=5,50±0,01
h=2,70±0,01
h=6,50±0,01
h=3,86±0,01
h=0,64±0,01
promedio
N/A
5,67
2,48
6,49
3,60
N/A
Error (%)
N/A
3,09
8,14
0,15
6,74
N/A
Mediciones
De la tabla 6.6 se puede observar que efectivamente la técnica de difracción por punta
de grieta está limitada en cuanto a dimensionar defectos de pequeña altura (caso entalla 3).
Sin embargo nótese que los porcentajes de error están dentro del 10% permisible,
confirmando de esta manera la confiabilidad de la técnica por difracción de punta sobre todo
68
en defectos o reflectores cuyas alturas sean mayores a 5 mm. A medida que el valor de altura
sea más pequeño por ende aumentará el error tal como se indica en la Tabla 6.6 y esto es
precisamente debido a la alta imprecisión de la técnica en el dimensionamiento de aquellos
defectos con alturas pequeñas como fue el caso de las entallas 1 y 6. A continuación se
muestran las señales A-scan correspondientes a las entallas mecanizadas en este bloque.
Para la entalla 2 el error no fue tan alto debido a que ésta tiene una altura 5,50 ± 0,01
mm y el reportado por ultrasonido fue de 5,67 mm para un error de 3,12% y si la máxima
dispersión permitida es 10% entonces la técnica es bastante precisa. La Figura 6.21 muestra
la base del reflector (a) y posteriormente la señal difractada al lado de la base del mismo.
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(a)
Figura-6.21
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
Punta o
esquina de la
entalla
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 2 cuya altura es de 5,50 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
El error más alto lo arroja la entalla 3 porque su altura esta cercana a los 2 mm. Sin
embargo con mayores alturas la señal difractada se puede detectar con bastante precisión
como es el caso de la entalla 4 y por ende el error disminuye, esto se demuestra al observar
por ejemplo la Figura 6.22 (Entalla 3) y la Figura 6.23 (Entalla 4) en esta ultima solo con un
simple desplazamiento del transductor sobre la entalla se observa la señal difractada emitida
por la punta del reflector (entalla), partiendo del error estimado de 7,92% y 0,15%
respectivamente es fácil concluir que la efectividad de la técnica es mayor cuando se
dimensionan defectos con grandes alturas.
69
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
Punta o
esquina de la
entalla
(a)
Figura-6.22
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 3 cuya altura es de 2,70 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
Punta o
esquina de la
entalla
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(a)
Figura-5.23
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 4 cuya altura es de 6,50 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
Con la entalla 5 se observa un error que está entre el 3,12% (Entalla 2) y el 7,92%
(Entalla 3) como era de esperarse esté debía ser mayor ya que la altura de la entalla es de 3,86
± 0,01mm y evidentemente fue de 6,74%, esto confirma una vez más la limitación de la
técnica en dimensionar defectos con pequeña altura. Véase la Figura 6.24.
70
Punta o
esquina de la
entalla
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(a)
Figura-6.24
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 5 cuya altura es de 3,86 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
En definitiva la técnica se complica cuando el dimensionamiento de defectos comienza
a ser menor a los 2,5 mm.
La misma técnica fue aplicada en el patrón de referencia AISI-304 pero de espesor 9
mm. Al igual que en el caso anterior acá también se realizaron 5 mediciones para obtener el
promedio de los valores de altura (Tabla 6.7) y determinar así el error porcentual el cual una
vez más reflejó valores menores cuando la altura de las entallas aumentaba tal como se
reporta en la Tabla 6.8
Tabla 6.7
Valores promedio de altura y estimación del error
BLOQUE DE REFERENCIA AISI-304 (Espesor de 9 mm)
SPB
SPT
Entallas
1
d
Cos (45°)
(mm)
(mm)
(mm)
N/A
N/A
N/A
N/A
12,85
9,81
0,707
2,15
12,85
8,62
0,707
2,99
h=0,92±0,01
2
h=2,02±0,01
3
h=3,01±0,01
71
Tabla 6.8
Valores promedio de altura y estimación del error.
BLOQUE DE REFERENCIA AISI-304 (Espesor de 9 mm)
Entalla (1)
Entalla (2)
Entalla (3)
h=0,92±0,01
h=2,02±0,01
h=3,01±0,01
promedio
N/A
2,15
2,99
Error (%)
N/A
6,53
0,92
Mediciones
Estos valores reportados en las tablas anteriores se pueden concretar al observar las
Figuras 6.25 y 6.26 correspondientes a las entallas 2 y 3 respectivamente. En el caso de la
entalla 2 a diferencia de la entalla 3 se puede observar la distinción de la señal difractada con
más claridad en la Figura 6.26 (Entalla3), lo cual permite determinar con mayor facilidad la
altura de la misma por esta técnica.
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(a)
Figura-6.25
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
Punta o
esquina de la
entalla
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 2 cuya altura es de 2,02 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
72
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
Punta o
esquina de la
entalla
Reflexión
especular de la
base de la
entalla
(a)
Figura-6.26
(b)
A-Scan correspondiente a la entalla 3 cuya altura es de 3,01 ± 0,01 mm. En el A-Scan (a) se
puede observar la reflexión de la base de la entalla y en el A-Scan (b) se observa tanto la reflexión de la base
como el extremo superior de la entalla en este caso la esquina superior de ésta.
En el caso de la evaluación de las entallas mecanizadas en el bloque de referencia
fabricado con el acero AISI-309, se alcanzó detectar la base de los reflectores sin embargo, no
se pudo dimensionar las mismas, debido a la gran cantidad de ruido generado por la
diversidad en el tamaño de grano que opacó las señales difractadas provenientes de la punta
del defecto inducido (entalla) lo cual confirma la dificultad de inspeccionar estos aceros en
zonas afectadas por temperatura como es el caso de la soldadura aunque acá fue solamente el
metal base pero es un buen indicador de cuan limitado pudiera ser la inspección con
ultrasonido convencional.
6.2.5
TOFD (Tiempo de vuelo de la onda difractada)
La calibración por TOFD se realizó con transductores de 10 MHz 70° y 6 mm de
diámetro, para la evaluación de las entallas inducidas en los tres patrones. En el patrón de
Acero AISI-321 cuyo espesor es de 12,7 mm. La Figura 6.27 muestra tanto el A-scan como
el B-scan obtenido para la calibración.
73
A-Scan
Figura-6.27
B-Scan
Calibración por TOFD con arreglo de transductores de 10 MHz-70°-6mm.
En la figura 6.28 se puede apreciar la imagen B-Scan obtenida una vez que se barrió la
zona del patrón en donde se habían mecanizado las entallas 1, 2 y 3. De ésta se puede
observar que las mismas fueron detectadas tanto por el modo de propagación con ondas
longitudinales como con ondas transversales, lo cual indica que estos reflectores se
encontraban en la distancia media entre la separación de los transductores.
Entalla 2
Entalla 1
Modo Onda
Longitudinal
Entalla 3
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.28
Imagen B-Scan correspondiente a los reflectores 1, 2 y 3
En la figura 6.29 se representa las entallas o reflectores 4 y 5 en una imagen B-scan
también obtenida por la técnica de TOFD una vez barrida la zona de interés. Véase al igual
que la figura anterior que estos reflectores también fueron detectados por ambos modos de
74
propagación.
Lo más importante de la evaluación acá fue la capacidad de detección,
caracterización y precisión en el dimensionamiento de estos reflectores a través de esta
técnica lo cual se ampliará cuando se presenten los valores de altura proporcionados por
TOFD con respecto a los valores reales medidos con un vernier de alta precisión.
Entalla 4
Entalla 5
Modo Onda
Longitudinal
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.29
Imagen B-scan correspondiente a los reflectores 4 y5.
El reto real de esta técnica fue la inspección de la soldadura que se encuentra fabricada
en el mismo patrón en donde están mecanizadas las entallas mencionadas anteriormente, por
otra parte en esta soldadura se mecanizó también una entalla cuya altura es de 0,64 ± 0,01 mm
lo cual suma una dificultad aún mayor puesto que entre las limitaciones de TOFD según la
bibliografía su capacidad de detección es de 1mm en adelante
[23]
(en cuanto a altura del
defecto). Sin embargo con el arreglo de frecuencia y diámetro de transductor se logró
detectar como también dimensionarla en profundidad y altura, esto se puede apreciar en la
figura 6.30 en donde se indica sobre la imagen B-scan la entalla 6.
75
Entalla 6
Modo Onda
Longitudinal
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.30
Imagen B-Scan correspondiente al reflector 6
También se evaluó otro patrón de referencia de material Acero AISI-304 pero con un
espesor inferior (9 mm ± 0,01mm) al patrón antes mencionado lo cual también genera un
nuevo reto para TOFD ya que esta técnica esta concebida para ser aplicada en espesores
superiores o iguales a los 12,7 mm, sin embargo con la apropiada selección de frecuencia y
diámetro de transductores se logró obtener una imagen B-scan en donde se puede apreciar las
tres entallas que previamente fueron mecanizadas en dicho patrón esta imagen se puede ver en
la figura 6.31.
Entalla 1
Modo Onda
Longitudinal
Entalla 2
Entalla 3
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.31
Imagen B-Scan correspondiente a los reflectores 1, 2 y 3 del patrón de acero AISI-304 de
espesor igual a 9 mm.
76
En función de resaltar el gran poder de detección, penetración, caracterización y
dimensionamiento de TOFD esta técnica también fue aplicada en un patrón de acero AISI-309
(espesor 13,4 ± 0,01 mm) pero sensibilizado por altas temperaturas, en el cual se pudo
determinar altos valores de atenuación producto de los distintos tamaños de grano que éste
presenta tal como se demostró en las fotomicrografías ya mostradas anteriormente, esto se
realizó con la finalidad de semejar el estado de un material de acero inoxidables austenítico en
condiciones de servicio. En la figura 6.32 y 6.33 se muestran las imágenes B-Scan en donde
se puede apreciar las entallas de 1,35 ± 0,01 mm y 2,01 ± 0,01 mm respectivamente.
Entalla 1
Modo Onda
Longitudinal
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.32
Imagen B-Scan correspondiente al reflector 1del patrón de acero AISI-309 sensibilizado de
espesor igual a 13,4 mm.
Entalla 2
Modo Onda
Longitudinal
Espesor
Modo Onda
Transversal
Figura-6.33
Imagen B-Scan correspondiente al reflector 2 del patrón de acero AISI-309 sensibilizado de
espesor igual a 13,4 mm.
77
En la Tabla 6.9 se muestra las dimensiones de los reflectores mecanizados en los tres
patrones con la finalidad de poder observar las diferencias entre los valores reales y los
obtenidos por TOFD.
Tabal 6.9
Dimensiones de las entallas tanto reales como las obtenidas por TOFD.
BLOQUE DE REFERENCIA 321 (Espesor de 12,7 mm)
Mediciones
Entalla (1)
Entalla (2)
Entalla (3)
Entalla (4)
Entalla (5)
Entalla (6)
(Vernier)
h=1,30±0,01
h=5,50±0,01
h=2,70±0,01
h=6,50±0,01
h=3,86±0,01
h=0,64±0,01
TOFD
1,31
5,48
2,71
6,51
3,85
0,65
Error (%)
0,77
0,36
0,37
0,15
0,26
1,56
BLOQUE DE REFERENCIA 304 (Espesor de 9 mm)
Mediciones
Entalla (1)
Entalla (2)
Entalla (3)
(Vernier)
h=0,92±0,01
h=2,02±0,01
h=3,01±0,01
TOFD
0,90
1,99
3,00
Error (%)
2,1
1,5
0,33
BLOQUE DE REFERENCIA 309 sensibilizado (Espesor de 13,4 mm)
Mediciones
Entalla (1)
Entalla (2)
(Vernier)
h=1,35 ± 0,01 mm
h=2,01± 0,01 mm
TOFD
1,34
2,02
Error (%)
0,74
0,49
Con la finalidad de verificar las diferentes capacidades entre las tres técnicas empleadas
en este estudio la tabla 6.10 se listan los valores de altura de las entalla de cada patrón usado.
78
Tabla 6.10
Valores de alturas para cada entalla mecanizada en los tres patrones usados.
PATRON DE REFERENCIA AISI-321 (espesor 12,7 mm)
Entallas
1
h=1,30±0,01
2
h=5,50±0,01
3
h=2,70±0,01
4
h=6,50±0,01
5
h=3,86±0,01
6
h=0,64±0,01
Pulso Satélite
Ondas de
Arrastre
TOFD
N/A
<15-20% de t
1,31
5,67
>15-20% de t
5,48
2,48
>15-20% de t
2,71
6,49
>15-20% de t
6,51
3,60
>15-20% de t
3,85
N/A
<15-20% de t
0,65
PATRON DE REFERENCIA AISI-304 (espesor 9 mm)
Entallas
1
h= 0,92±0,01
2
h= 2,02±0,01
3
h= 3,01±0,01
Pulso Satélite
Ondas de
Arrastre
TOFD
N/A
< 15%-20% de t
0,90
2,15
> 15%-20% de t
1,99
2,99
> 15%-20% de t
3,00
PATRON DE REFERENCIA AISI-309 sensibilizado (espesor 13,2 mm)
Entallas
1
h=1,35± 0,01 mm
2
h=2,01± 0,01 mm
Pulso Satélite
Ondas de
Arrastre
TOFD
N/I
< 15%-20% de t
1,34
N/I
> 15%-20% de t
2,02
N/I= No se inspecciono debido al efecto atenuante de la miscroestructura.
En la figura 6.34 se muestra un gráfico de comparación en cuanto a la capacidad de
detección y dimensionamiento entre las técnicas de TOFD y Pulso Satélite no se incluyó
79
Ondas de Arrastre ya que con esta técnica existe mucha imprecisión al momento de
dimensionar. De esta gráfica se puede apreciar claramente la potencialidad de TOFD sobre
Pulso Satélite al comparar la gran proximidad de TOFD con los valores reales de las entallas
lo cual proporciona gran confiabilidad en la aplicación de TOFD, que además de tener gran
capacidad de detección tiene alta presición en el dimensionamiento incluyendo defectos
menores a 1mm de altura, caso en donde Pulso Satélite presentó bastantes dificultades por lo
que esto permite concluir que TOFD es la técnica más confiable para la detección y
dimensionamiento de defectos tipo planar como es el caso de agrietamiento.
Capacidad de dimensionamiento entre TOFD y Pulso
Satélite (bloque AISI-321)
Dimensiones (mm)
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
Número de entallas
Real
Figura-6.34
TOFD
Pulso Satélite
Grafico comparativo entre las técnicas de TOFD y Pulso Satélite en cuanto a la presición en el
dimensionamiento de altura de defectos planares. Bloque AISI-321.
Ahora en la figura 6.35 se muestra la capacidad de dimensionamiento de las alturas
correspondientes a las entallas mecanizadas en el patrón de AISI-304 con bajo espesor (9mm)
al igual que el caso anterior, no se incluyó Ondas de Arrastre ya que con esta técnica existe
mucha imprecisión al momento de dimensionar. Este gráfico muestra claramente una vez
más a pesar del bajo espesor, la potencialidad de TOFD sobre Pulso Satélite al comparar la
gran proximidad de TOFD con los valores reales de las entallas lo cual proporcionan gran
confiabilidad en la aplicación de TOFD para la inspección de aceros inoxidables austeníticos
de bajo espesor.
80
Capacidad de dimensionamiento entre TOFD y Pulso
Satélite (Bloque AISI-304)
Dimensiones (mm)
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
2
3
Número de entallas
TOFD
Real
Pulso satélite
Figura-6.35
Grafico comparativo entre las técnicas de TOFD y Pulso Satélite en cuanto a la presición en el
dimensionamiento de altura de defectos planares en el bloque AISI-304 de 9mm de espesor.
81
VII
1.
CONCLUSIONES
El acero AISI-309 presentó una variación microestructural, apreciándose colonias
de granos muy pequeñas junto a granos de mayor tamaño. Por otro lado se
observa precipitados de carburos de cromo en loa bordes de grano, característico
de un material cuando ha sido sometido a altas temperaturas.
2.
Los valores de velocidad acústica se encuentran dentro de los rangos reportados
para cada una de las aleaciones estudiadas según la bibliografía consultada. Sin
embargo cabe destacar que los valores obtenidos para el acero AISI-309 y AISI321(S) son mucho más altos, producto de los distintos cambios microestructurales
sufridos en éstas por efecto de la temperatura.
3.
El coeficiente de atenuación en el AISI-321(S) es mucho mayor que el AISI-309.
4.
El modo de propagación transversal tiende a verse más afectado cuando los aceros
inoxidables austeníticos presentan gran diversidad microestructural como fue el
caso del AISI-309 y AISI-321(S). Es por tal razón que se justifica aún más el
empleo de transductores cuyo modo de propagación sea por ondas longitudinales,
ya que estas no son afectadas en gran escala.
5.
La técnica de ondas de arrastre o creeping wave es una excelente herramienta en
cuanto a detección de defectos siempre y cuando estén conectados a la superficie
interna del material bajo estudio.
6.
La técnica de difracción por punta de grieta esta limitada en cuanto a dimensionar
defectos de pequeña altura. Sin embargo los porcentajes de error están dentro del
10% permisible, confirmando de esta manera la confiabilidad de la técnica sobre
todo en defectos o reflectores cuyas alturas sean mayores a 5 mm.
7.
A pesar de las supuestas limitaciones de TOFD en detectar defectos cuya altura sea
inferior a 1mm, se logró detectar y dimensionar (en altura) una entalla de 0,64 ±
0,01 mm y mecanizada en la zona afectada por el calor de un patrón construido de
AISI-321.
8.
TOFD es una técnica que a diferencia de Pulso Satélite y Ondas de Arrastre
proporciona alta confiabilidad no solo en su capacidad de detección si no en el
82
dimensionamiento de defectos cuya altura inclusive este por debajo de 1 mm, así
como también en espesores menores a los 12,7 mm.
9.
TOFD brinda una alta presición tanto en la detección como en el
dimensionamiento de defectos tipo planar evidenciando su aplicación en la
inspección de equipos y tuberías diseñadas con bajos espesores y fabricadas en
acero inoxidable austenítico.
83
VIII RECOMENDACIONES
1. Emplear transductores con mayores frecuencias tal como (10-15MHz y diámetros de 3
mm) tal como lo recomienda la norma BSI-EN-585-6.
2. Contemplar la fabricación de cordones de soldadura en todos los bloque de referencia.
Por otro lado, generar patrones con la mayor cantidad de reflectores y de ser posible
inducir defectos tales como grietas, faltas de fusión y socavaciones con distintas
alturas y profundidades a lo largo del material bajo estudio.
3. Emplear otras técnicas especializadas de ultrasonido tal como Phased Array con la
finalidad de evaluar su potencialidad respecto a TOFD, en la detección de reflectores
planares tipo grieta.
4. En cuanto a las técnicas convencionales como Pulso Satélite y Ondas de Arrastre se
recomienda el empleo de frecuencias superiores a los 2MHz para el caso de Ondas de
Arrastre y el empleo de transductores de material compuesto pero cuya propagación
angular sea con ondas longitudinales.
5. Considerar la aplicación de ultrasonido con transductores tipo Bi-Modal y finalmente
comparar su capacidad con TOFD.
6. Fabricar bloques con soldaduras disímiles y revestimientos metálicos de acero
inoxidable austenítico (cladding, weld overlay,..) generando defectos tal como grietas
con distintas alturas.
84
IX
[1]
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
The Internacional Institute of Welding: “Handbook On the Ultrasonic Examination of
Austenitic Welds”. AWS The American Welding Society, 1998.
[2]
Weicheng Wang, Stanislav I., John Lippold, Laszlo Adler.: “The Relationship Between
Ultrasonic Meassurements and Microstructural Characteristics of Type 308 Stainless
Steel Welds”. EWI, Materials Joining Technology. MR-8904. May 1989.
[3]
B. Chassignole, D. Villard, G. Nuguyen Van Chi.: “Ultrasonic Propagation in Austenitic
Stainless Steel Welds Aproxímate Model and Numerical Methods Results and
Comparison with Experiments”. American Institute of Physics. 1-56396-930. 2000.
[4]
Michel Bièth, C. Pecorari, T. Seldis.: “Effect of Ultrasonic Scattering on Inspection of
Welds in Austenitic Steels”. 7th Internacional Conference on Nuclear Engineering.
ICONE-7079. Tokio April 1999.
[5]
Anmol S. Birrings, Bharat K Nidathavolu.: “Ultrasonic Testing of Welds by Time of
Flight Diffraction: Codes, Guidelines and Standards”. Materials Evaluation. September
2005.
[6]
T. Balasubramanian, R. J. Pardikar M. Palaniappan.: “Time of flight Diffraction
(TOFD) Technique for Accurate Sizing for embbended Sub-Cladding Cracks”. Insight.
2003.
[7]
William Zippel, José Pincheira, Glenn Washer.: “Crack Meassure in Steel Plates using
TOFD Method”. Journal of Performance of Constructed Facilities. Vol 1, No. 2. May
2000.
[8]
G. Baskaran, Krishnan Balasubramaniam, C. Lakshmana Rao.: “Shear-wave Time of
Flight Diffraction (TOFD) Technique”. NDT & E International. January 2006.
[9]
A.Singh.: “Flaw location Errors in Extruded Stainless Steel piping”. Ultrasonics.
November 1983.
[10] The Níkel Development Institute.: “The Role of Stainless Steels in Petroleum Refining”.
American
Iron
and
Steel
Institute.
Canada,
April
1977.
85
[11] Arráez Marielba, Hau Jorge, Chacón Patricia, Rincón Hernán. “Recopilación de
experiencias en procesamiento de crudos venezolanos” Informe técnico número INT9619,2002. PDVSA-Intevep. Los Teques, Agosto del 2002.
[12] Ramón Cortés, Jaime Villanueva, Ernesto Ponce, Manuel Rojas, Eduardo Rojas.:
“Estudio de la Soldabilidad y Corrosión del Aceros Inoxidable AISI 904L con los
agentes utilizados en la Lixiviación del Cobre”. Revista Facultad de Ingeniería, UTA.
Chile Vol. 12, N° 2, Mayo del 2004.
[13] Chacón Patricia, Hau Jorge, Silva Luis, Figueroa Jonathan, Tovar Quintana.: “Estudio
de Vida Remanente de Wagon Wheel de la unidad Okay, del CRP-Amuay” Informe
técnico número INT-9693,2002. PDVSA-Intevep. Los Teques, Octubre del 2002.
[14] Norma Bermúdez. “Aceros Inoxidables” Informe técnico número INT-00088,92.
PDVSA-Intevep. Los Teques, Enero de 1992.
[15] R. Echevarria.: “Ultrasonido”. Universidad Nacional del Comahue, edición 2002.
[16] J Krautkramer, H. Krautkramer: “Ultrasonic Testing of Materials”. Springer-Verlag
Berlin Heidelberg, New York 1969.
[17] American Society of Mechanical Engineers: “ASME Section V Art. 4 and 5”. 1995
Editon.
[18] J. Mark Davis.: “Advanced Ultrasonic Flaw Sizing Handbook”. EPRI NDE, 1998
edition.
[19] American Society for Testing and Materials.: “Standard Practice for Use of the
Ultrasonic Time of Flight Diffraction (TOFD) Technique”. ASTM E 2373-04.
[20] American Society for Testing and Materials: “Standard Practice for Preparation of
Metallographic Specimens”. ASTM E3 01 Annual Book of ASTM Standards. Vol.
03.01. 2003.
[21] American Society for Testing and Materials.: “Standard Practice for Measuring
Ultrasonic Velocity in Materials”. ASTM E 494-05. 1-56396-930. 2000.
[22] Y. Hasegawa.: “Failures from hydrogen attack and their methods of detection”. Journal
of the Japan Welding Society , 1987 56 (7) 393-400; Reference JJ/87/7/393.
[23] M. G. Silk.: “Estimates of the Probability of Detection of flaws in TOFD data with
varying levels of noise”. INSIGHT. Vol. 38, No. 1, Enero 1996.
[24] Heloisa Furtado, Iain Le May.: “High Temperatura Degradation in Power and
Refineries”. Materials Research. Vol. 7,No.1,1 103-110 2004.
86
[25] Hau Jorge, Seijas Antonio.: “Sigma Phase Embrittlement of Stainless Steel in FCC
Service”.
Corrosion
NACE
2006.
Paper
No.
06578.
87
ANEXOS
ANEXO A
Medición de velocidades
Ejemplo de cálculos caso AISI-309 OL
Datos:
Ondas Longitudinales
Ak = 0,076 m
nl = 6
vk =5916 m/s
tl = 0,0132 m
Al = 0,075
nk =6
tk =0,0125 m
vl =
vl =
(Ak nl vk tl )
(Al nk tk )
(0, 076 × 6 × 0, 0132 × 5916)
⇒ vl = 6270m / s
(0, 075 × 6 × 0, 0125)
88
ANEXO B
Coeficiente de atenuación
Ejemplo de cálculos caso del AISI-309
Datos:
A0=80
A1=80
A2=80
A3=80
A4=4
A5=4
A6=6
A7=8
t= 5900 m/s
n= 4
dB = 20log ( Avg )
Avg=
αP =
80 × 4
= 14,54 ⇒ dB = 20 log (14,54 ) ⇒ dB = 23, 25
4+4+6+8
1 1
1
1
× × dB ⇒ α P =
× × 23, 25 ⇒ α P = 0, 22dB / mm
2t n
2(13, 2) 4
1
t
⎛ A0 ⎞
1
⎛ 80 ⎞
20 log ⎜ ⎟ ⇒ αT = 0, 79dB / mm
⎟ ⇒ αT =
13, 2
⎝ 24 ⎠
⎝ A1 ⎠
αT = 20 log ⎜
89
ANEXO C
Pulso satélite
Ejemplo de cálculos
BLOQUE DE REFERENCIA AISI 321 (Espesor de 12,7 mm)
SPB
SPT
Entallas
1
h=1,30±0,01
2
h=5,50±0,01
3
h=2,70±0,01
4
h=6,50±0,01
5
h=3,86±0,01
6
h=0,64±0,01
d
Cos (45°)
(mm)
(mm)
(mm)
N/A
N/A
N/A
N/A
18,10
10,07
0,707
5,67
18,10
14,59
0,707
2,48
18,10
8,92
0,707
6,49
18,10
12,43
0,707
3,60
N/A
N/A
N/A
N/A
d = ( SPB − SPT ) × cos θ
d = (18,10 − 10, 07)mm × cos(45º )
d = 5, 67mm
% Error =
Valormedido − Valorreal
×100
Valorreal
% Error =
5, 67 − 5,50
×100
5,50
Error = 3, 09%
90
ANEXO D
TOFD
Ejemplo de cálculos
Datos:
t= 12,77 mm
α = 70º
C= 5900 m/s
c/s= 25
( 3 ) ⎡⎣Tg (α )⎤⎦ t
S= 4
⎛4⎞
S = ⎜ ⎟ ⎡⎣Tg ( 70º ) ⎤⎦ (12,77mm )
⎝3⎠
S = 46,78mm
S
C
46,78 mm
1m
TL =
×
⇒ TL = 7,9 µ s
5900 m / s 1000 mm
2
TB =
S 2 + t2
C
mm
2
1m
2
2
TB =
( 23,39 ) + (12,77 ) ×
m / s 1000 mm
5900
TL =
TB = 9,03µ s
∆T = TB − TL ⇒ ∆T = 9,03µ s − 7,9µ s ⇒ ∆T = 1,11µ s
1
⎧
⎪ 5 × 106 c / s = 0,20 µ s
⎧0,20 × 25 = 5
⎪
⎪⎪
1
1
⎪
µ
T = ⇒⎨
s
0,10
=
⇒
⎨0,10 × 25 = 2,5
6
f
c
s
10
10
/
×
⎪
⎪
⎪⎩0,066 × 25 = 1,65
1
⎪
⎪15 × 106 c / s = 0,066 µ s
⎩