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Ensayos por ultrasonidos bajo condiciones de alta temperatura


Contexto: Si bien la mayoría de inspecciones que sirven para detectar defectos y medir el espesor de materiales por ultrasonidos son ejecutadas bajo condiciones de temperatura normal, hay muchas situaciones donde es necesario inspeccionar un material bajo condiciones de alta temperatura. Esto ocurre la mayor parte del tiempo en las industrias de procesamiento, donde se deben analizar tuberías o tanques metálicos sin detener el servicio con el fin de enfriar estos materiales. También existen muchas situaciones durante la fabricación en las cuales intervienen materiales calientes, tales como tubos de plástico forzado o plástico moldeado térmicamente inmediatamente después de la fabricación, o se inspeccionan lingotes de metal o fundiciones antes de que se enfríen completamente. Las sondas de ultrasonido convencional puede tolerar temperaturas de hasta aproximadamente 50 °C o 125 °F. Con temperaturas más altas, pueden eventualmente sufrir daños permanentes debido al desprendimiento interno causado por la dilatación térmica. Si el material bajo ensayo presenta una temperatura de aproximadamente 50 °C o 125 °F, es necesario emplear una sonda de alta temperatura y técnicas analíticas especiales.

Esta nota de aplicación ofrece una rápida información de referencia para seleccionar sondas y acoplantes destinados a altas temperaturas, así como los factores importantes con respecto a su uso. La nota de aplicación se basa en ensayos por ultrasonidos convencionales de materiales que presentan temperaturas de hasta aproximadamente 500 °C o 1000 °F. En aplicaciones de investigación que aplican temperaturas superiores, se utilizan técnicas de ondas guiadas altamente especializadas. Dichas aplicaciones quedan fuera del ámbito de esta nota de aplicación.

1. Sondas
La sondas de Olympus se presentan en dos categorías: sondas duales y sondas con línea de retardo. En ambos casos, el material que crea la línea de retardo (que en las sondas duales se encuentra integrado) sirve para ofrecer un aislamiento térmico entre el elemento activo de la sonda y la superficie de ensayo caliente. No existen sondas de contacto para altas temperaturas o sondas de inmersión en la línea de productos estándares debido a su configuración estructural. Sin embargo, las sondas duales para altas temperaturas y las sondas de línea de retardo están disponibles para las aplicaciones donde intervienen los medidores de espesores y los detectores de defectos. Al igual que con todos los ensayos por ultrasonidos, la selección de la mejor sonda/palpador para una determinada aplicación debe efectuarse conforme a ciertos requisitos de ensayo específicos, que incluyen el material, el rango de espesor, la temperatura y, para detectar defectos, el tipo y tamaño del defecto relevante.

(a) Medidores de espesor
La monitorización de la corrosión es la aplicación más frecuente a la que deben enfrentarse los medidores de espesores de alta temperatura. Los medidores de espesor 38DL PLUS y 45MG permiten medir el espesor restante del metal de tuberías y tanques que se encuentran bajo condiciones de alta temperatura. La mayoría de las sondas o palpadores diseñados para ser usados con los medidores de corrosión de Olympus pueden ser utilizados en condiciones de alta temperatura. Las sondas de la serie D790 pueden ser utilizadas sobre superficies que presentan temperaturas tan calientes como de 500 °C o 930 °F. Para obtener una lista completa de las sondas duales destinadas a la medición de la corrosión junto con sus especificaciones de temperatura, haga clic en el siguiente enlace: Sondas duales para medir la corrosión.

Para las aplicaciones que requieren una medición precisa del espesor del material, como en el caso de plásticos calientes, usando el equipo 38DL PLUS o 45MG (con la opción software Sonda monocristal), es posible configurar cualquiera de las sondas estándares de línea de retardo Microscan de la serie M200 (incluyendo las sondas M202, M206, M207 y M208) con líneas de retardo para altas temperaturas. Las líneas de retardo DLHT-1, DLHT-2 y DLHT-3 pueden utilizarse en superficies con temperaturas de hasta 260 °C o 500 °F. Las líneas de retardo DLHT-101, DLHT-201 y DLHT-301 pueden utilizarse en superficies con temperaturas de hasta 175 °C o 350 °F. Puede consultar estas líneas de retardo en la Tabla de opciones de líneas de retardo.

En el caso de aplicaciones más complejas, que requieren sondas de baja frecuencia para una mejor penetración, también es posible utilizar las sondas Videoscan con protector frontal reemplazable y las líneas de retardo apropiadas para altas temperaturas con los medidores de espesor 38DL PLUS y 45MG que integran la opción software de Alta penetración. En base a lo precedente, se requerirán configuraciones personalizadas para las sondas. Las líneas de retardo de serie para esta familia de sondas pueden ser utilizadas sobre superficies que presentan temperaturas de hasta 480 °C o 900 °F. Para obtener la lista completa de sondas y líneas de retardo, haga clic en el siguiente enlace: Sondas con protector frontal reemplazable

(b) Detección de defectos
Al igual que en las aplicaciones de medición de espesor bajo condiciones de alta temperatura, la detección de defectos en altas temperaturas se efectúa generalmente con sondas duales o líneas de retardo. Todas las sondas Olympus destinadas a la detección de defectos ofrecen capacidades de inspección para altas temperaturas. Las sondas duales de rango extendido, aquellas manipuladas con el dedo índice o aquellas que cuentan con un protector de conector al ras de la carcasa cuya frecuencia es de 5 MHz o inferior pueden ser utilizadas hasta una temperatura aproximada de 425 ºC u 800 ºF; aquellas con una frecuencia superior (entre 7,5 y 10 MHz) pueden ser utilizadas hasta una temperatura aproximada de 175 ºC o 350 ºF. Para obtener una lista completa de las sondas pertenecientes a esta categoría, haga clic en el siguiente enlace: Sondas duales para detectar defectos.

Todas las sondas con protector frontal reemplazable Videoscan pueden ser utilizadas con la apropiada línea de retardo para altas temperaturas en aplicaciones de detección de defectos. Las líneas de retardo disponibles para esta familia de sondas pueden ser utilizadas sobre superficies que presentan temperaturas de hasta 480 °C o 900 °F. Para obtener una lista completa de las sondas y las líneas de retardo apropiadas para diferentes temperaturas elevadas, haga clic en el siguiente enlace: Sondas con protector frontal reemplazable.

Para las aplicaciones que involucran materiales de espesor delgado a fino, las sondas de línea de retardo de la serie V200 (generalmente la V202, V206, V207 y V208) son las más recomendadas ya que pueden ser configuradas con líneas de retardo para altas temperaturas. Asimismo, las líneas de retardo DLHT-1, DLHT-2 y DLHT-3 pueden utilizarse en superficies con temperaturas de hasta 260 °C o 500 °F. Y, las líneas de retardo DLHT-101, DLHT-201 y DLHT-301 pueden utilizarse en superficies con temperaturas de hasta 175 °C o 350 °F. Estas sondas con sus líneas de retardo son detalladas en la Lista de sondas con líneas de retardo

Olympus, también ofrece suelas especiales para altas temperaturas que pueden ser acopladas a sondas de haz angular; entre ellas se incluyen la serie de suelas ABWHT para uso en temperaturas de hasta 260 °C o 500 °F, y la ABWVHT para uso en temperaturas de hasta 480 °C o 900 °F. Puede obtener información más detallada sobre los tamaños disponibles de suelas al contactar con nuestro Departamento de ventas.

2. Acoplantes
Los acoplantes que son usados normalmente para los ensayos por ultrasonidos, como el propilenglicol, la glicerina y los geles para ultrasonido, suelen evaporarse rápidamente al ser aplicados sobre superficies que presentan temperaturas elevadas de hasta 100 ºC o 200 ºF. Por consiguiente, los ensayos por ultrasonidos desarrollados bajo condiciones de alta temperatura requieren acoplantes especialmente formulados que mantengan su estado líquido o pastoso de forma estable sin evaporarse, quemarse o desprender vapores tóxicos. Es importante tener en cuenta el rango de temperatura específico para su uso, y utilizarlos solamente dentro de dicho rango. De utilizar los acoplantes fuera del rango de temperatura recomendado podría generar un rendimiento deficiente de la propagación acústica o engendrar posibles riesgos de seguridad.

Bajo condiciones de alta temperatura, incluso los acoplantes especializados para altas temperaturas deben ser utilizados rápidamente, ya que tienden a secarse o solidificarse afectando la trasmisión de energía del ultrasonido. Los residuos solidificados del acoplante deben ser retirados/limpiados de la superficie de la pieza bajo ensayo y de la sonda antes de iniciar otra medición.

Asimismo, tenga presente que el acoplamiento normal de la onda de incidencia transversal no es posible bajo condiciones de alta temperatura, debido a que los acoplantes para ultrasonido de onda transversal disponibles en el mercado se diluyen y pierden su alto índice de viscosidad, el cual es necesario para la transmisión de las ondas transversales.

Olympus ofrece dos tipos de acoplantes para altas temperaturas:

Acoplante G: acoplante para temperatura media que puede ser usado con temperaturas de hasta 315 °C (600 °F).

Acoplante H : acoplante para alta temperaturas que puede ser usado con temperaturas de hasta 510 °C (950°F).

Tome en cuenta que los acoplantes de temperatura media y alta no deben ser utilizados en espacios sin ventilación debido al riesgo mínimo de encendido que existe por los vapores inflamables. Contacte con Olympus para obtener mayor información.

Para obtener la lista completa de los acoplantes de Olympus, junto con otros detalles/especificaciones, por favor consúltese la nota de aplicación Acoplantes para ensayos por ultrasonido.

3. Técnicas de ensayo
Los siguientes factores siempre deben ser tomados en cuenta para establecer el procedimiento de ensayo para cualquier aplicación de alta temperatura:

Ciclo de trabajo:Todas las sondas estándares de alta temperatura han sido concebidas en base a un ciclo de trabajo. A pesar de que la línea de retardo aísla el interior de la sonda, el contacto prolongado con superficies muy calientes ocasiona una acumulación de calor importante en ella y, eventualmente, un daño permanente si la temperatura interior de la sonda excede el rango recomendado. Para la mayoría de sondas duales y sondas de línea de retardo, el ciclo de trabajo recomendado con temperaturas superficiales de aproximadamente 90° C a 425° C (200° F a 800° F) no excede los diez segundos de acoplamiento entre la sonda y la superficie de la pieza (el tiempo recomendado es cinco segundos), que son seguidos de un minuto —como mínimo— de enfriamiento. Note que esta información tiene como único objetivo guiarlo. La relación entre el tiempo de contacto y el tiempo de enfriamiento se vuelve más crítica conforme se llega al último nivel del rango de temperatura especificado para una sonda dada. Por lo general, si la carcasa de la sonda se halla demasiado caliente para poder sostenerla cómodamente con los dedos sin guantes, entonces puede que la temperatura interior de la sonda haya alcanzado una temperatura potencialmente perjudicial y deba ser enfriada antes de continuar el ensayo. Hasta el día de hoy, algunos usuarios han empleado un sistema de enfriamiento por agua para acelerar el proceso de enfriamiento de la sonda; sin embargo, Olympus no ha publicado directivas oficiales relacionadas con dicho sistema, por ello su pertinencia queda a discreción de cada usuario.

Los detectores de defectos de la serie EPOCH de Olympus y todos los medidores de espesores cuentan con funciones de congelación que permiten congelar el A-scan visualizado y la lectura adquirida. La función de congelación es muy útil en mediciones de alta temperatura, ya que permite al operador adquirir una lectura y retirar rápidamente la sonda de la superficie caliente. En el caso de los medidores, la rápida actualización de su pantalla permite minimizar el tiempo de contacto de la sonda con la superficie.

Técnica de acoplamiento: La combinación de los requisitos establecidos para el ciclo de trabajo de la sonda y la tendencia de los acoplantes a solidificarse o evaporarse por ebullición, cuando son utilizados cerca de la temperatura límite recomendada, obligan a que el operador desarrolle rápidamente su trabajo. Por otra parte, muchos usuarios han comprobado que la mejor técnica para aplicar el acoplante es vertiendo una gota de este en la parte frontal de la sonda, para luego presionar la sonda firmemente contra la superficie de la pieza bajo ensayo, evitando así que la sonda se tuerza o roce y, consiguientemente, se desgaste. Es necesario retirar/limpiar todo residuo seco de acoplante que quede en la punta de la sonda entre cada medición.

Aumento del valor de ganancia: Los medidores 38DL PLUS y 45MG poseen funciones ajustables para aumentar el valor de la ganancia, como todos los detectores de defectos de la serie EPOCH.{ Debido a los niveles de atenuación más altos que se generan durante las mediciones de alta temperatura, a menudo es útil es útil aumentar la ganancia antes de iniciar una medición.

Variación de velocidad: La velocidad de la propagación acústica cambia en todos los materiales según su temperatura, y también disminuye si la temperatura de los materiales incrementa. Para efectuar mediciones precisas con los medidores de espesor, es necesario que la velocidad de propagación acústica siempre sea calibrada. En el acero, el cambio de la velocidad es de aproximadamente el 1 % en caso de una temperatura comprendida entre los 55 °C o 100 °F. El valor exacto varía dependiendo de la aleación. En plásticos y otros polímeros, este cambio es mucho mayor, y puede aproximarse al 50 % en caso de una temperatura comprendida entre los 55 °C o 100 °F hasta el punto de fusión. Si no dispone de un espectro de temperatura/velocidad para el material inspeccionado, es necesario efectuar una calibración de la velocidad acústica en una muestra de dicho material que presente la temperatura actual de la pieza que será inspeccionada. La opción software para compensar la temperatura del medidor de espesor 38DL PLUS puede ser usada para ajustar automáticamente la velocidad acústica según temperaturas elevadas conocidas en base a una constante programada de temperatura/velocidad.

Calibración cero: Al efectuar mediciones de espesor con sondas duales, recuerde que el valor de compensación cero para una sonda específica cambiará mientras la temperatura se eleva, debido a los cambios que afectan la duración del recorrido a través de la línea de retardo. Por esta razón, es importante calibrar frecuentemente la medición a cero para mantener la exactitud de la medida. Con los medidores de corrosión Olympus, este procedimiento es rápido y fácil debido a la función automatizada de calibración cero; simplemente pulse los botones 2nd F > DO ZERO.

Atenuación aumentada: La atenuación acústica aumenta en todos los materiales según la temperatura del material, y su efecto es mucho más pronunciado en los plásticos que en los metales o las cerámicas. En el caso de aleaciones típicas de acero al carbono por grano fino, la atenuación a 5 MHz, bajo condiciones de temperatura ambiente, es de aproximadamente 2 dB por 100 mm de distancia en la trayectoria del sonido unidireccional. Esta última equivale a una trayectoria de ida y vuelta de 50 mm en cada sentido. Con una temperatura de 500 °C o 930 °F, la atenuación aumenta a aproximadamente 15 dB por 100 mm de trayectoria de sonido. Debido a este efecto, puede que se requiera aumentar considerablemente el valor de la ganancia en el equipo cuando mide largas trayectorias de sonido bajo condiciones de altas temperaturas. También, puede que se requiera el ajuste de las curvas de corrección entre la distancia y la amplitud (DAC), o de la programación TVG (tiempo variado ganancia) determinada a la temperatura ambiente.

En el caso de polímeros, los efectos de la atenuación en función de la temperatura dependen altamente del material; pero, generalmente estos efectos serán más pronunciados en el caso del acero. En particular, las líneas de retardo prolongadas que se han recalentado por su uso bajo condiciones de alta temperatura pueden representar una fuente significativa de atenuación total durante un ensayo.

Variación angular de suelas: En el caso de cualquier suela para altas temperaturas, la velocidad acústica del material de la suela disminuirá si la temperatura de la pieza se eleva; lo que conlleva a que el ángulo de refracción aumente (en metales) mientras la suela se calienta. Si esto es motivo de preocupación en un ensayo específico, el ángulo de refracción debe ser verificado con la temperatura de funcionamiento real. Por lo general, las variaciones térmicas durante los ensayos dificultan a menudo la determinación precisa del ángulo de refracción real.

Olympus IMS

Productos para la aplicación
El EPOCH 650 es un detector de defectos por ultrasonido convencional con una excelente capacidad de inspección y utilidad para una amplia variedad de aplicaciones. Este equipo resistente y fácil de comprender es la continuación del reconocido detector de defectos EPOCH 600 y cuenta una variedad de características adicionales.

El 45MG es un avanzado medidor de espesores ultrasónico que cuenta con funciones de medición de serie y opciones de software. Está exclusiva herramienta de medición de espesores es compatible con nuestro rango completo de sondas duales y monoelementos dedicadas a medir espesores.

El versátil medidor de espesores 38DL PLUS™ puede ser usado con sondas duales para medir el espesor de tuberías corroídas, como también para ejecutar mediciones de espesor muy precisas de materiales delgados o multicapa mediante el uso de una sonda monoelemento. 

El 27MG es un medidor de espesores ultrasónico básico diseñado para medir espesores de forma fiable de piezas o tuberías metálicas internamente corroídas o erosionadas. Se dota de una estructura ligera, duradera y ergonómica para una fácil manipulación.

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