12.4.2 PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS VOLUMÉTRICAS
Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados. Los métodos de PND volumétricos son:
- RT – Radiografía Industrial
- UT – Ultrasonido Industrial
- EA – Emisión Acústica
Estos métodos permiten la detección de discontinuidades internas y sub-superficiales, así como bajo ciertas condiciones, la detección de discontinuidades superficiales.
RT – RADIOGRAFÍA INDUSTRIAL
El caso de la Radiografía Industrial (RT), como prueba no destructiva, es muy interesante; pues permite asegurar la integridad y confiabilidad de un producto; además, proporciona información para el desarrollo de mejores técnicas de producción y para el perfeccionamiento de un producto en particular. En la figura 5 se muestra como un operario realiza una inspección por radiografía industrial.
Figura 5. Inspección por Radiografía Industrial.
http://www.aeisrl.com.ar/radiografiarx.html
La Inspección por RT se define como un procedimiento de inspección no destructivo de tipo físico, diseñado para detectar discontinuidades macroscópicas y variaciones en la estructura interna o configuración física de un material. En la siguiente imagen se muestra una imagen del arreglo radiográfico empleado con mayor frecuencia.
Al aplicar RT, normalmente se obtiene una imagen de la estructura interna de una pieza o componente, debido a que este método emplea radiación de alta energía, que es capaz de penetrar materiales sólidos, por lo que el propósito principal de este tipo de inspección es la obtención de registros permanentes para el estudio y evaluación de discontinuidades presentes en dicho material. Por lo anterior, esta prueba es utilizada para detectar discontinuidades internas en una amplia variedad de materiales.
Dentro de los END, la Radiografía Industrial es uno de los métodos más antiguos y de mayor uso en la industria. Debido a esto, continuamente se realizan nuevos avances que modifican las técnicas radiográficas aplicadas al estudio no sólo de materiales, sino también de partes y componentes; todo con el fin de hacer más confiables los resultados durante la aplicación de la técnica.
El principio físico en el que se basa esta técnica es la interacción entre la materia y la radiación electromagnética, siendo esta última de una longitud de onda muy corta y de alta energía.
Durante la exposición radiográfica, la energía de los rayos x o Gamma es absorbida o atenuada al atravesar un material. Esta atenuación es proporcional a la densidad, espesor y configuración del material inspeccionado.
La radiación ionizante que logra traspasar el objeto puede ser registrada por medio de la impresión en una placa o papel fotosensible, que posteriormente se somete a un proceso de revelado para obtener la imagen del área inspeccionada; o bien, por medio de una pantalla fluorescente o un tubo de video, para después analizar su imagen en una pantalla de televisión o grabarla en una cinta de video.
En términos generales, es un proceso similar a la fotografía, con la diferencia principal de que la radiografía emplea rayos x o rayos Gamma y no energía luminosa.
En la actualidad, dentro del campo de la industria existen dos técnicas comúnmente empleadas para la inspección radiográfica: Radiografía con rayos x y Radiografía con rayos gamma.
La principal diferencia entre estas dos técnicas es el origen de la radiación electromagnética; ya que, mientras los rayos x son generados por un alto potencial eléctrico, los rayos gamma se producen por desintegración atómica espontánea de un radioisótopo.
Los rayos x son generados por dispositivos electrónicos y los rayos gamma por fuentes radioactivas naturales o por isótopos radiactivos artificiales producidos para fines específicos de Radiografía Industrial, tales como: iridio 192, cobalto 60, cesio 137 y tulio 170.
La fuente de rayos X es el ánodo en un tubo eléctrico de alto voltaje. Cuando se prende, el haz de electrones generado en el cátodo impacta sobre el ánodo y esto provoca la emisión de los rayos X en todas direcciones; la capa de blindaje alrededor del tubo absorbe los rayos X, excepto aquellos que escapan a través de un orificio o ventana que existe para tal fin. Los rayos que pasan se emplean para producir la radiografía. Cuando se apaga la máquina de rayos X, la radiación cesa y la pieza inspeccionada no conserva radioactividad.
Un radioisótopo, como por ejemplo el cobalto 60 o el iridio 192, emiten radiación constante por lo que se emplean contenedores especiales o cámaras para almacenar y controlarlos dentro de una cápsula, que es una pequeña píldora que se conecta al final del cable de control. Cuando la cápsula está en el contenedor, la mayoría de los rayos gamma son absorbidos por el blindaje. Cuando la fuente se sacada del contenedor por medio del cable de control, la radiación del radioisótopo se dispersa en todas las direcciones y es empleada para crear una radiografía.
En la figura 6 se muestra una radiografía de un soldadura.
Figura 6. Inspección por radiografía industrial
http://www.terra.org/categorias/articulos/rodeados-de-radioactividad
Aunque existen arreglos especiales, diseñados para casos determinados, el equipo que se emplea con más frecuencia para la inspección radiográfica es el siguiente:
- a) Fuente de radiación (rayos X o rayos gamma).
- b) Controles de la fuente.
- c) Película radiográfica.
- d) Pantallas intensificadoras.
- e) Indicadores de calidad de la imagen.
- f) Accesorios.
Aplicaciones
Las propiedades particulares de la radiografía facilitan su aplicación a nivel industrial, médico y de investigación; pues adicionalmente de que la energía de la radiación puede ser absorbida por la materia, también puede hacer fluorescer ciertas sustancias; siendo por todo esto que la técnica tiene diversas aplicaciones en diferentes ramas.
En primer lugar, están las aplicaciones en las que se emplea la energía radiante y su efecto sobre la materia, como es el caso de las aplicaciones físicas (efectos de fluorescencia) médicas (destrucción de ciertas células) y biológicas (mutaciones o aplicaciones de esterilización biológica).
En segundo lugar, deben mencionarse las aplicaciones en las cuales se emplean los efectos físicos, como son la difracción (determinación de estructuras cristalográficas), fluorescencia (determinación de composición química) y la ionización (detección de la radiación), etc.
En tercer lugar, se tienen las aplicaciones en las que se mide la atenuación de la radiación, como es el caso de la medición de espesores en proceso de alta temperatura; la medición de niveles de fluidos; la determinación de densidades en procesos de producción continua y la Radiografía Industrial.
Finalmente, resta aclarar que la corta longitud de onda de la radiación que emplea la radiografía le permite penetrar materiales sólidos, que absorben o reflejan la visible; lo que da lugar al uso de esta técnica en el control de calidad de productos soldados, fundiciones, forjas, etc. para la detección de defectos internos macroscópicos tales como grietas, socavados, penetración incompleta en la raíz, falta de fusión, etc.
Ventajas de la Radiografía Industrial
- Es un excelente medio de registro de inspección.
- Su uso se extiende a diversos materiales.
- Se obtiene una imagen visual del interior del material.
- Se obtiene un registro permanente de la inspección.
- Descubre los errores de fabricación y ayuda a establecer las acciones correctivas.
Limitaciones de la Radiografía Industrial
- No es recomendable utilizarla en piezas de geometría complicada.
- No debe emplearse cuando la orientación de la radiación sobre el objeto sea inoperante, ya que no es posible obtener una definición correcta.
- La pieza de inspección debe tener acceso al menos por dos lados.
- Su empleo requiere el cumplimiento de estrictas medidas de seguridad.
- Requiere personal altamente capacitado, calificado y con experiencia.
- Requiere de instalaciones especiales como son: el área de exposición, equipo de seguridad y un cuarto oscuro para el proceso de revelado.
- Las discontinuidades de tipo laminar no pueden ser detectadas por este método.
UT – ULTRASONIDO INDUSTRIAL
La examinación por Ultrasonido Industrial (UT) se define como un procedimiento de inspección no destructiva de tipo mecánico, que se base en la impedancia acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de propagación del sonido entre la densidad de un material. En la figura 7 se muestra una prueba de ultrasonido.
Figura 7. Inspección de soldadura por ultrasonido
http://www.directindustry.es/prod/olympus/product-17434-482218.html
El método consiste en utilizar ondas de sonido fuera del intervalo auditivo, con una frecuencia de 1 a 5 millones de Hz (ciclos por segundo)- de aquí el término ultrasónico. El método ultrasónico es una prueba no destructiva, confiable y rápida que emplea ondas sonoras de alta frecuencia producidas electrónicamente que penetrarán metales, líquidos y muchos otros materiales a velocidades de varios miles de metros por segundo. Las ondas ultrasónicas para ensayos no destructivos generalmente las producen materiales piezoeléctricos, los cuales sufren un cambio en su dimensión física cuando se someten a un campo eléctrico.
Generación de ultrasonido
Existe un gran número de métodos para generar ultrasonidos; en principio sirven ya los mismos procedimientos que se emplean para generar sonidos audibles. Si los dispositivos capaces de oscilar se construyen con una frecuencia propia correspondientemente alta. Sin embargo, estos procedimientos mecánicos, y algunos otros principios, no se utilizan en el ensayo no destructivo de materiales, recurriéndose por el contrario a otros efectos físicos, a saber: el efecto magnetoestrictivo, y sobre todo el efecto piezoeléctrico.
Efecto magnetoestrictivo
Los materiales ferro magnéticos (muy especialmente el níquel, además del acero), tienen la propiedad de contraerse o expandirse por efecto de un campo magnético. Inversamente, en una barra de acero ferro magnético se produce un campo magnético si es expuesta a un esfuerzo de tracción o compresión.
Efecto piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico reviste una importancia mucho mayor, siendo aprovechado casi universalmente para el ensayo no destructivo de materiales. Ciertos cristales naturales o sintetizados tienen la propiedad de que en presencia de un esfuerzo de tracción o compresión se originan cargas eléctricas en su superficie. La carga cambia de signo si se invierte la dirección del esfuerzo. Así es que en las superficies de un cristal expuesto alternativamente a un esfuerzo de tracción y un esfuerzo de compresión existe un potencial alternativamente positivo y negativo (tensión alterna).El efecto piezoeléctrico es reversible, es decir, cuando se aplica una carga eléctrica a la superficie del cristal, esta se contrae o se expande según el signo de la carga eléctrica.
Procedimiento de ensayo ultrasónico.
Como se sabe, una onda ultrasónica incidente, en parte se refracta y en parte se refleja si existe una variación de la resistencia a la onda sonora, como en el caso en que exista un defecto dentro del material. De ello se derivan dos procedimientos de ensayo, basados respectivamente, en la evolución de la parte transmitida de la onda o de la parte reflejada de la misma.
Procedimiento de transmisión
En este procedimiento se evalúa la parte del ultrasonido que ha sido transmitido a través de la pieza que se ensaya. A un lado de la pieza se aplica un emisor de sonido y al otro lado, un receptor. En presencia de un defecto, la intensidad sonora en el receptor disminuye a causada la reflexión parcial o se hace nula en caso de reflexión total (Fig. 10). Lo mismo da que se emplee sonido continuo o impulsos de sonido para el ensayo, pues el emisor y el receptor eléctricamente están separados entre sí. En este ensayo no se puede determinar la profundidad a la que está localizado el defecto de la pieza. Cuando existen daños en el material, deformaciones o variaciones en las forma de este se producen impedancias de onda diferentes a la normal que producen reflexión de la onda ultrasónica.
Aplicaciones
El Ultrasonido Industrial es un ensayo no destructivo ampliamente difundido en la evaluación de materiales metálicos y no metálicos.
Es frecuente su empleo para la medición de espesores, detección de zonas de corrosión, detección de defectos en piezas que han sido fundidas y forjadas, laminadas o soldadas; en las aplicaciones de nuevos materiales como son los metalcerámicos y los materiales compuestos, ha tenido una gran aceptación, por lo sencillo y fácil de aplicar como método de inspección para el control de calidad de materiales, bien en el estudio de defectos (internos, subsuperficiales y superficiales) y en la toma de mediciones como: medición de espesores (recipientes de acero, capa de grasa en animales, etc.), medición de dureza, determinación del nivel de líquido, etc.
Ventajas del Ultrasonido Industrial
- Se puede aplicar esta técnica en una gran gama de materiales y a un gran número de productos conformados como: chapas, ejes, vías, tubos, varillas, etc., y a procesos de fabricación tales como: soldadura, fundición, laminación, forja, mecanizado, etc.
- Es aplicable a otras ramas tales como: la medicina, navegación, pesca, comunicación, entre otras.
- Permite detectar discontinuidades tanto superficiales, subsuperficiales e internas.
- Puede aumentarse la sensibilidad del equipo al realizar un cambio conveniente de palpador.
- Los equipos pueden ser portátiles y adaptables a un gran número de condiciones.
Limitaciones del Ultrasonido Industrial
- El equipo y los accesorios son costosos.
- Deben emplearse vario tipos de palpadores a fin de determinar todas las discontinuidades presentes en la pieza, preferiblemente cuando se trata de piezas que o han sido ensayadas anteriormente.
- El personal destinado a realizar los ensayos debe poseer una amplia experiencia y calificación en el manejo de la técnica y los equipos.
EA – EMISIÓN ACÚSTICA
Hoy en día, uno de los métodos de pruebas no destructivas más recientes y, que ha venido teniendo gran aplicación a nivel mundial en la inspección de una amplia variedad de materiales y componentes estructurales, es sin duda el método de Emisión Acústica (EA).
Este método detecta cambios internos en los materiales o dicho de otra manera, detecta micro-movimientos que ocurren en los materiales cuando por ejemplo: existe un cambio micro-estructural, tal como lo son las transformaciones de fase en los metales, el crecimiento de grietas, la fractura de los frágiles productos de corrosión, cedencia, deformación plástica, etc. La detección de estos mecanismos mediante EA, se basa en el hecho de que cuando ocurren, parte de la energía que liberan es transmitida hacia el exterior del material en forma de ondas elásticas (sonido), es decir, emiten sonido (emisión acústica). La detección de estas ondas elásticas se realiza mediante el uso de sensores piezo-eléctricos, los cuales son instalados en la superficie del material. Los sensores, al igual que en el método de ultrasonido, convierten las ondas elásticas en pulsos eléctricos y los envía hacia un sistema de adquisición de datos, en el cual se realiza el análisis de los mismos. En la figura 8 se muestra una inspección por emisión acústica.
Figura 8. Inspección por emisión acústica.
http://www.fullqualityperu.com/emision-acustica.html
Aplicaciones La Emisión Acústica es una de las nuevas técnicas que ha tenido un gran desarrollo, especialmente con la aceptación del empleo de computadoras para el proceso de datos como medio de interpretación de los resultado. Se emplea en el estudio de estructuras sujetas a esfuerzos cíclicos, como es el caso de las estructuras aeronáuticas, los recipientes a presión y edificios o puentes. Otra aplicación es la evaluación del comportamiento de nuevos materiales, como es el caso de los tejidos a base Keblar; de la fibras de elementos cerámicos y los materiales compuestos a base e cerámicos y metales y de plásticos reforzados con fibras.
Ventajas de la Emisión Acústica
- Permite detectar un defecto o fractura durante su desarrollo, aun antes de que sea posible detectarla por algún otro tipo de ensayo no destructivo.
- Permite tener un patrón del comportamiento de la estructura sujeta a prueba, la cual puede ser tomada como referencia para evaluar su comportamiento después de haber estado en servicio y conocer si ha subido algún daño o debilitamiento.
Limitaciones de la Emisión Acústica
- La interpretación de los resultados; ya que para una evaluación completa en campo se requiere de procesadores que tengan alta velocidad y gran capacidad de memoria y almacenamiento; motivo por el cual un trabajo de inspección por AET puede realizarse rápidamente pero a un costo relativamente elevado.
- El personal que realiza este tipo de pruebas debe tener una gran capacidad y experiencia en la interpretación de señales y en la disposición de los transductores de inspección; quien se especializa en esta técnica requiere de por lo menos un año de trabajo previo antes de ser calificado como Nivel 1 y necesita casi dos años para poder ser calificado como Nivel II.