Medición del espesor de tuberías de calderas a vapor con las sondas acústicas electromagnéticas (EMAT)

Equipamiento recomendado:
Medidor de espesores 38DL PLUS
Detectores de defectos EPOCH 6LT,EPOCH 1000oEPOCH 650

Contexto

Las extremas temperaturas que se registran dentro de las calderas a vapor (sobre los 800 °C o 1500 °F) pueden producir la formación de un tipo específico de óxido de hierro duro y quebradizo, conocido como magnetita, en la parte superficial externa o interna de las tuberías de calderas hechas de acero. La presencia de esta capa de óxido en la parte externa de las tuberías puede interferir con las mediciones de espesor por ultrasonido cuando se usan sondas duales comunes, ya sea porque pueden presentar una superficie muy rugosa que perjudica el acoplamiento acústico o porque el espesor del óxido es adicionado al del acero. Sin embargo, tal como lo define su nombre, la magnetita es magnética, y esta propiedad permite usar sondas acústicas electromagnéticas (EMAT) de magnetostricción, como la E110-SB. Las sondas acústicas electromagnéticas (EMAT) ofrecen varias ventajas en comparación con las sondas piezoeléctricas duales convencionales; en sí, se elimina la necesidad de retirar la capa de óxido, el espesor de dicha capa no es adicionada a la medida del espesor de pared y las mediciones pueden ejecutarse rápidamente sin requerir un acoplante líquido. La principal limitación de las sondas EMA es que funcionan solo cuando hay magnetita y se encuentra adherida a la tubería de la caldera. Además, el espesor de pared mínimo mensurable y la precisión de la medición no resultan totalmente correctos como cuando se utilizan las sondas duales convencionales; asimismo, las sondas EMA son poco sensibles a las pequeñas picaduras internas. Por estas razones, las sondas EMA son usadas frecuentemente para realizar un rápido monitoreo inicial, y las sondas duales pueden ser usadas posteriormente para una inspección más profunda de las áreas críticas.

Teoría de funcionamiento

Existen dos tipos de sondas EMA que se usan en la industria de los ensayos por ultrasonido. Las sondas EMA conocidas como Lorentz pueden prescindir de la magnetita, pero requieren una fuerza de conducción muy alta. Las sonda EMA de magnetostricción, como la E110-SB de Olympus, requieren la magnetita; sin embargo, pueden funcionar con niveles de tensión mucho más bajos proporcionados típicamente por los medidores de espesores y los detectores de defectos por ultrasonido portátiles. Una sonda EMA de magnetostricción se compone de un fuerte imán permanente y una bobina, la cual actúa como un electroimán al ser accionada por el impulso de excitación proveniente del equipo de medición, como se aprecia en la Figura 1. El imán permanente crea un campo magnético perpendicular a la superficie de magnetita (B_s, en la figura a continuación), y el campo dinámico, creado por el electroimán (B_d), hace que la magnetita sea retirada radialmente hacia fuera y adentro a medida que la bobina es excitada, tal como se aprecia en la Figura 2. Este movimiento genera una onda transversal de incidencia normal que se propaga luego en el acero. Esencialmente, la magnetita actúa como un elemento de transmisión activo para generar un impulso acústico. La frecuencia del impulso acústico será afectada por las variaciones en el espesor de la magnetita, incrementando a medida que la capa de óxido se vuelve más delgada y disminuyendo a medida que la capa de óxido se vuelva más gruesa. Con una capa de magnetita delgada típica, la frecuencia será aproximadamente de 5 MHz El proceso también se ejecuta de manera inversa para generar una tensión en la bobina cuando el eco de la onda transversal hace vibrar la capa de óxido.

Figura 1: Sección transversal de una sonda EMA típica

Figura 2: Método de generación de onda acústica

Ya que la magnetita es, en sí, un elemento de transmisión, su rugosidad no representa un problema para el acoplamiento y tampoco es adicionada a la medida de espesor. Las sondas EMA generan una onda transversal, lo que conlleva a la calibración del equipo conforme a una velocidad de onda transversal aproximada de 3,240 m/s en un acero al carbono típico. La precisión de medición típica con la sonda EMA E110-SB es de ± 0,010 pulg. (0.25 mm) con un espesor mínimo mensurable de 2,0 mm según las propiedades del material.

Procedimientos de configuración y medición

La calidad de los ecos ultrasónicos en aplicaciones EMA dependen, por una parte, de la consistencia de la capa de magnetita, la cual puede variar de punto a punto en una tubería particular de caldera. Si los ecos usables no pueden ser obtenidos en un punto, intente otro punto cercano. La sonda E110-SB también incorpora un punto muerto ajustable que varía en función de la distancia entre la parte frontal de la sonda y la superficie de la tubería de la caldera. El ajuste de la distancia de dicho punto muerto permite optimizar la respuesta del eco en varios casos.

(a) Medidor de espesores 38DL PLUS^®: La sonda E110-SB es usada con el medidor de espesores 38DL PLUS mediante un adaptador 1/2XA/E110, el cual permite reconocer la sonda y el filtro de paso alto agregado, necesario para acondicionar la correcta señal requerida. Cuando el adaptador está conectado, el medidor selecciona automáticamente la configuración por defecto DEFM1-EMAT/E110 de la sonda EMA. Para obtener una óptima precisión, como con cualquier medidor de espesores, es necesario ejecutar una calibración de dos puntos (velocidad-cero) usando bloques de referencia con espesores conocidos delgados y gruesos. Si no dispone de estos bloques de referencia, la configuración por defecto normalmente es suficiente como punto inicial. Los parámetros de ganancia y supresión de eco pueden ser ajustados según sea necesario para optimizar la detección del eco. Con la configuración por defecto para la sonda EMA, el medidor de espesores 38DL PLUS mostrará un A-scan completamente rectificado. En la Figura 3 es posible visualizar un A-scan típico.

Figura 3: A-scan típico rectificado, adquirido a partir de una sonda EMA
Para obtener una mejor perspectiva de la forma del A-scan, la cual puede ser útil bajo condiciones de medición compleja, seleccione la opción de visualización de radio frecuencia (RF) en el menú de configuración del medidor de espesores. En la Figura 4, es posible apreciar un A-scan de radio frecuencia (RF) típico adquirido a partir de una sonda EMA.

Figura 4: A-scan RF típico, adquirido a partir de una sonda EMA

(b) Detectores de defectos EPOCH 6LT, EPOCH 1000 o EPOCH 650: En la Figura 5 se muestra una configuración inicial y A-scan para las sondas EMA con un detector de defectos de la serie EPOCH. Note que el filtro de paso de banda debe ser usado siempre para descartar ruido de baja frecuencia asociado a las sondas EMA. Asimismo, debido a que la onda transversal varía en función del espesor de la magnetita, la frecuencia de onda cuadrada proporcionada por el detector de defectos EPOCH puede ser ajustada, según sea necesario, para optimizar la respuesta del eco.

Figura 5: Parámetros de configuración básicos — velocidad a 0,1280 pulg./µs; punto cero a 0,650 µs; 400 V de energía; amortiguamiento de 50 Ω; frecuencia de impulso de 5,0 MHz, y filtro de 1,5 a 8,5 MHz