Dimensionamiento de defectos en soldaduras de tuberías: ¿Qué es lo que realmente se puede conseguir?

Actas de la Conferencia de Recipientes de Presión y Tuberías (Pressure Vessels & Piping Conference, PVP) de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME)
San Diego, California. Julio de 2004
PVP2004-2811

Resumen

La práctica de aptitud/capacidad para el servicio (Fitness For Service, FFS) de tuberías es empleada muchas veces en el análisis de tuberías con el fin de aceptar o rechazar los defectos de soldaduras. Sin embargo, la FFS requiere mediciones precisas de la altura del defecto para evaluar la mecánica de la fractura. Ante esto, la radiografía, en cuanto técnica de inspección estándar para soldaduras de tuberías, es incapaz de llevar a cabo dichas mediciones. En principio, las técnicas por ultrasonido más modernas pueden medir la altura de los defectos. Aunque, al usar métodos de amplitud ultrasónica para medir la altura, los resultados fueron poco fiables. A los efectos de ello, los métodos de difracción, especialmente la técnica de difracción de tiempo de vuelo (TOFD, siglas en inglés), han comenzado a ser usados como respaldo. Este documento reseña trabajos pasados —ante todo a partir de grandes estudios de ciencia y tecnología nuclear, como el estudio PISC II— y estudios publicados relativos al dimensionamiento de tuberías. En donde se demuestra que la difracción, como técnica de dimensionamiento nuclear, presenta una variación de pocos milímetros. Por el contrario, la técnica automática de ultrasonido convencional, dedicada a tuberías — que usa la discriminación de área, sondas de focalización, materiales más delgados y técnicas analíticas mucho más sencillas— proporciona una precisión determina por lo general a +1 mm, en correlación con el tamaño de focalización del haz y el barrido típico de la soldadura. Hechas las observaciones anteriores, las configuraciones para una precisión de +0,3 mm son prácticamente inalcanzables; por lo tanto, el sector de Investigación y Desarrollo deberá poner un esfuerzo significativo para mejorar las técnicas de dimensionamiento de tuberías.

Introducción

Los defectos por lo general se crean durante la soldadura, incluso al seguir los procedimientos más rigurosos. Cabe agregar que en la práctica no es útil eliminar todos los defectos mediante reparaciones. Existen criterios de aceptación de defectos que pueden ser usados para determinar aquellos que deben ser reparados y los que no deben ser tocados. Esta situación ha cobrado aún más importancia con la introducción de los aceros de alta resistencia, cuya microestructura puede ser afectada por el pulido o una nueva soldadura de refuerzo. Ante esto, la reparación representa una fuente de mayor riesgo que el defecto en sí.

En las últimas décadas, se ha visto un distanciamiento hacia los criterios establecidos por los inspectores, los cuales basaban sus decisiones principalmente en lo que el sistema de inspección podía detectar, respaldándose también en los criterios de la práctica de aptitud/capacidad para el Servicio (FFS, siglas en inglés), los cuales se centran en la mecánica de la fractura (o, también, denominada Evaluación Crítica de Ingeniería o ECA [siglas en inglés]). En efecto, la FFS usa la resistencia del material, los datos relativos al crecimiento de la grieta y el ciclo de trabajo del componente para estimar la vida útil de servicio del material de acuerdo a la dimensión inicial aceptable del defecto. Esta tendencia conservativa se compone del cálculo efectuado a partir de márgenes de error y los valores de resistencia, índice de crecimiento y medidas del defecto. Por lo general, la práctica FFS ayuda a aceptar defectos mucho más grandes que los propios criterios de los inspectores, reduciendo los costos (Esp. costes) y la tasa de rechazo. Sin embargo, en la FFS, lo esencial es medir precisamente y de manera fiable un parámetro clave del defecto: la altura.

En los años ochenta, la industria nuclear era la referencia en investigación con respecto al dimensionamiento de defectos, en paralelo al inicio de la técnica FFS en esta misma industria. Con la introducción de las técnicas automáticas por ultrasonido en la industria del gas y petróleo [1], las técnicas automáticas por ultrasonido se convirtieron en el método de predilección debido al uso conjunto que podía hacerse con la FFS. El uso de las técnicas automáticas de ultrasonido y FFS en la industria petroquímica ayudó de modo significativo a reducir la tasa de rechazo de defectos. Resulta oportuno resaltar que esto se debía parcialmente a la capacidad de las técnicas automáticas por ultrasonido para llevar a cabo controles de procesos.

Durante varias décadas, la técnica principal para inspeccionar soldaduras fue la radiografía, que se basaba en el criterio de los inspectores. Ante la situación planteada, eran obvios los peligros en materia de seguridad. Una de las grandes deficiencias de la radiografía es la incapacidad de medir la altura de los defectos; por lo tanto, la opción FFS se excluía automáticamente. En las últimas décadas, la importancia del ultrasonido es más relevante. En efecto, el ultrasonido ofrece la capacidad para medir la altura de los defectos; sin embargo, en la práctica la medición resulta compleja y está sujeta a errores. Según se ha visto, existen dos enfoques principales: la inspección basada en la amplitud o la inspección basada en la difracción. Estos dos enfoques serán cubiertos a continuación en el documento.

Amplitud versus difracción

Técnicas de amplitud
Las metodologías tempranas relativas al dimensionamiento de defectos se basaron en la amplitud de la señal reflejada y su correlación con un reflector de referencia equivalente (p. ej., una ranura o taladro lateral). Pero tal como se ha citado, la correlación entre la dimensión del defecto y la amplitud era deficiente [2] y, sin ser una sorpresa, esto se debía a numerosas variables, como las diferencias de los materiales, equipamiento y los propios defectos. En realidad, un material puede dotarse de una velocidad de propagación acústica diversa y variaciones microestructurales, en especial los aceros. Los equipos también pueden presentar variaciones de amplitud debido al tipo de emisor, la banda de frecuencia, el cableado y otros parámetros inherentes de la electrónica.

En ese mismo sentido, el defecto es en sí mismo variable. Las técnicas de ultrasonido son altamente sensibles a la orientación del defecto; asimismo, la transparencia, resistencia, curvatura y ubicación juegan un papel importante. La tecnología de ultrasonido convencional es poco fiable precisamente en el caso de defectos verticales; a pesar de ello, el uso de ángulos de inspección apropiados parece mejorar los criterios de amplitud [3]. La técnica alemana DGS compara las amplitudes del defecto con las de un reflector conocido [4]; mediante este método se obtiene un defecto no más pequeño que un reflector de referencia, lo que no es útil en la técnica FFS. En resumidas cuentas, las técnicas de dimensionamiento basadas en la amplitud por lo general no son fiables, desde luego en función de los estándares requeridos por la FFS.

Debido a que la vasta mayoría de defectos siguen siendo dimensionados mediante técnicas basadas en la amplitud, ya sea a partir de una reflexión de fondo de 6 dB, 10 dB o 20 dB [5], resulta necesario brindar algunas explicaciones provistas por los expertos de campo. Primero que todo, «cualquier defecto inferior al tamaño del haz suele ser dimensionado como el ancho del haz». Esto se debe a que los defectos pequeños tienden a ser emisores omnidireccionales; es decir que los defectos pequeños generan una emisión en cualquier parte dentro del haz. Si bien es cierto, como los defectos pequeños no suelen representar un riesgo estructural en la mayoría de los casos; por lo tanto, la documentación de referencia relativa al dimensionamiento de pequeños defectos es limitada [6]. Segundo, «los pequeños defectos suelen ser sobredimensionados y los defectos grandes minimizados» [7]. El «sobredimensionamiento de los defectos pequeños» se entiende fácilmente debido a la emisión omnidireccional y la dispersión del haz. Sin embargo, lo que preocupa mayormente es lo opuesto: la reducción de la dimensión que se le atribuye a los defectos grandes. Esta situación puede ocurrir fácilmente si el defecto es curvado; por ejemplo, cuando el haz de la sonda en ángulo fijo traspasa los flancos, la amplitud y la medida de la dimensión serán más bajas. Minimizar la dimensión de los defectos grandes es el principal motivo de preocupación con respecto a la integridad estructural.

Metodología de difracción
A finales de los años setenta, Maurice Silk del Laboratorio Harwell [8] desarrolló una técnica de dimensionamiento (y detección) denominada Difracción del tiempo de vuelo (Time-Of-Flight Diffraction, TOFD). Esta técnica usaba la baja amplitud de ondas difractadas a partir de los extremos del defecto para dimensionarlo. La técnica resultó ser mucho más precisa que los criterios de amplitud. El principio básico de la técnica TOFD se ilustra en la Figura 1.
El fenómeno de difracción es ampliamente generalizado en el ámbito de la tecnología ultrasónica. En ese mismo sentido, una cantidad de técnicas de difracción alternativas han sido desarrolladas aportando sus propias ventajas y desventajas. La técnica TOFD estándar usa un emisor y un receptor separados en ambos lados de la soldaduras o componente, además del codificador de posición y el registrador de datos de PC. La técnica TOFD plantea desafíos importantes en cuanto al diámetro externo y el diámetro interno, además de los problemas de interpretación. Esta técnica también se ve limitada frente a defectos más pequeños de los que puede dimensionar, comúnmente mediante el método ringdown (cerca de 3 mm para las tuberías). Pero, a pesar de ello, los resultados obtenidos a partir del dimensionamiento con la técnica TOFD han sido notables. La Figura 2 muestra una comparación entre el dimensionamiento, basado en la amplitud, y la técnica TOFD obtenida a partir de las Pruebas de Detección de Defectos efectuadas por la organización UKAEA [9].


Figura 1: Principios de la técnica TOFD





Figura 2: Amplitud versus difracción a partir de la placa DDT N.º 1 (parte superior: todas las técnicas de dimensionamiento; parte inferior: solo la técnica TOFD).

Después de las consideraciones anteriores, varias metodologías alternativas han sido desarrolladas, como la difracción del eco de fondo y sonda de modo combinado. Asimismo, se han probado técnicas adicionales basadas en la amplitud y señales: como los análisis de frecuencia [10], el reconocimiento de patrones, HOLOSAFT [11]. Ninguna de estas técnicas paralelas han sido comercializadas, pero la técnica de difracción de fondo continuaba frecuentemente a ser la referencia en términos de uso.
Por otro lado, la técnica de difracción del eco de fondo consiste en el uso de una sola sonda para la emisión y detección de las señales difractadas. Esto crea un sistema mucho más simple que favorece la operación manual. Sin embargo, la física de la difracción de fondo es mucho más débil que la difracción emisora, lo que dificultaba la identificación de las señales provenientes de los extremos difractados. Aun así, esta técnica ofrece una precisión similar a la técnica TOFD [12] y ventajas para el dimensionamiento de pequeños defectos (hasta menores de 0,5 mm en tuberías) con zonas muertas mucho más pequeñas [13]. La metodología básica se ilustra en la Figura 3.

Figura 3: Difracción de eco de fondo para dimensionar defectos

Estudios relativos al dimensionamiento con tecnología nuclear
A medida que las industrias tomaban más interés en las capacidades de dimensionamiento de los defectos [14], la industria nuclear también ha llevado a cabo estudios de gran envergadura para determinar las capacidades de dimensionamiento y detección de defectos. Se efectuaron dos estudios interlaboratorios: el PISC II y el DDT. La prueba o el estudio PISC II requirió un respaldo mundial que implicó 50 equipos dedicados a inspeccionar cuatro componentes dotados de 200 defectos [7]. La envergadura y objetivo de este estudio proporcionaría un análisis estadístico apropiado a partir de los resultados, la precisión del dimensionamiento y los análisis de los defectos. No fue una sorpresa descubrir que el defecto más difícil de encontrar era una grieta uniforme/lisa. Pero no queda ahí, debido al uso de una variedad de nuevas técnicas se demostraron nuevos progresos para la práctica de dimensionamiento. El estudio PISC II fue la primera prueba pública para la técnica TOFD y, como pudo observarse, los resultados fueron alentadores [15]. La precisión general de dimensionamiento para el equipo UKAEA, del laboratorio de Risley, fue de unos pocos milímetros en una placa de cientos de milímetros de espesor (aprox. del 1 %).

En relación con esta última, existen diferencias significativas entre los estudios de la industria nuclear y los estudios actuales de dimensionamiento para tuberías.
• Primero, el estudio PISC II fue de gran envergadura, lo que permitió recoger análisis paramétricos sustanciales.
• Segundo, los recipientes de presión del sector nuclear se dotan de un orden de magnitud más grueso que el de las tuberías; por consiguiente, no es posible aumentar la frecuencia ultrasónica en las tuberías debido a la atenuación de los aceros.
• Tercero, la industria nuclear usa la técnica TOFD de trama y la Focalización por Apertura Sintética SAFT, siglas en inglés), lo cual proporciona una precisión mejorada en comparación con la técnica TOFD lineal de la industria petroquímica.
• Cuarto, nuevos avances tecnológicos han sido introducidos, como un mejor procesamiento, preparación y visualización de datos, más una tecnología dotada de múltiples matrices de elementos (phased arrays). Cabe resaltar que el ultrasonido multielemento no altera la física del material y permite al mismo tiempo inspecciones de múltiples ángulos optimizadas.
• Cinco, en las inspecciones de rutina para tuberías se emplean sondas de alta focalización, que reducen el tamaño del haz, mejoran la relación entre la señal y el ruido, y reducen las reflexiones geométricas de ecos falsos.
• Seis, los defectos de tuberías (d) por lo general son de la misma altura que la longitud de la onda del ultrasonido (λ), lo que complica los análisis teóricos.
• Siete, en el estudio PISC se usaron superficies al mismo nivel, mientras que las tuberías por lo general presentan reflectores geométricos desde la raíz hasta la pasada de terminación de la soldadura.
Por último, la calidad requerida (p. ej., en función del tiempo y dinero) es generalmente más alta para el sector nuclear que para el petroquímico. En este caso, puede que los sistemas de tuberías ascendentes (Risers) y de tensión (Tendons) de las plataformas marítimas sean una excepción.
Sin embargo, las conclusiones generales a partir de los estudios del sector nuclear pueden aplicarse en efecto al sector petroquímico (tuberías), y es que: la detección y dimensionamiento mediante las técnicas pulso-eco [Pulse-Echo] plantean limitaciones. La técnica TOFD es correcta para dimensionar y detectar defectos en la mayoría de las circunstancias; pero, lo ideal sería utilizar la técnica TOFD y pulso-eco [15]. Es posible alcanzar una precisión de dimensionamiento de pocos milímetros (mejor en el caso de las tuberías).

Procedimientos de dimensionamiento de tuberías y terminología
A diferencia del costoso estudio PISC II de gran envergadura, los estudios efectuados para las tuberías tienden a ser más discretos y fragmentados. Los detalles de la metodología suelen ser poco densos y la cantidad de datos es limitada. Encima, varias validaciones y estudios de dimensionamiento son propiedad exclusiva de las empresas y no pueden ser publicadas. La lista a continuación contiene algunos resultados públicos.

En el caso de procedimientos analíticos, los inspectores de tuberías a menudo seccionan las tuberías para obtener la dimensión aproximada de un defecto, o congelan las soldaduras para luego fracturarlas, todo lo contrario de lo que se lleva a cabo con la metalografía meticulosa dentro del estudio PISC II. Esto conduce inherentemente a algunos errores en cuanto al dimensionamiento y la detección. Cabe agregar que no se cuenta con datos de respaldo, pero los errores metalúrgicos parecen ser del mismo orden que las precisiones de dimensionamiento afirmadas. Las técnicas alternativas son la ruptura por congelamiento o el seccionamiento aplicando la máxima amplitud de ultrasonido (que no es la profundidad máxima). Los escaneos de tuberías son efectuados solo una vez, como en la realidad. Y, los escaneos detallados no son usados (a diferencia de los estudios de la industria nuclear). El dimensionamiento de las tuberías se basa de forma frecuente y exclusiva en la dimensión de un área, como el estándar ASTM E-1961 [16], o una versión modificada de la técnica de dimensionamiento por amplitud [17]. El dimensionamiento de áreas es rápido y aproximativo, a diferencia de los estudios detallados de la industria nuclear.

La terminología de dimensionamiento de defectos en tuberías es poco precisa. La precisión en el dimensionamiento de defectos normalmente está determinada a una precisión de ±Y. Las bases científicas para el valor de ± Y no siempre son especificadas, pero podrían ser:
1. El error máximo (quizá, dos desviaciones estándares [σ] o 95 % de los resultados).
2. La desviación estándar σ,
3. Valor RMS de ASME, o
4. Una banda de error general: por ejemplo, «rango proporcional». Algunos autores citan σ o RMS; en otros casos, el procedimiento parece trazar una banda de error general (a menudo de + 1 mm). Pocos resultados publicados soportan el error máximo debido a que varios puntos permanecen fuera de la banda de error; por lo tanto, los textos sugieren este valor para el caso. Desafortunadamente, la cantidad de puntos de datos en los estudios de tuberías por lo general se encuentra muy limitada para generar estadísticas comprensibles.

Limitaciones físicas
A medida que la dimensión del defecto se aproxima a la longitud de la onda (de 0,4 a 0,5 mm para ondas transversales de 7,5 MHz), la física se convierte en un problema para modelar los defectos en las tuberías. Los defectos típicos de las tuberías están sujetos a la pasada de la soldadura (p. ej., de 1 a 3 mm). Existen dos modos de análisis: analítico y numérico.
Modo analítico
Los modos analíticos, que usualmente usan grietas idealizadas, aplican el teorema de Green, las aproximaciones de Kirchoff, de Born y el teorema general de difracción [19]. Desafortunadamente, todos estos modos analíticos se fundan en aproximaciones para hacer que la ecuación tenga una solución; sin embargo, estas aproximaciones no son válidas si la dimensión del defecto es similar a la longitud de la onda, tal como en el caso de las tuberías. Por lo tanto, la teoría analítica no soluciona este problema; a pesar de que, en la práctica, el ultrasonido se refleja de manera evidente desde los defectos con una dispersión de longitud de onda (d~λ).

Modo numérico
De los varios métodos para efectuar una evaluación numérica, el seguimiento del rayo es esencialmente inútil con la dispersión de la longitud de onda (d~λ). Los métodos de elementos finitos (FEM, siglas en inglés) y diferencias finitas (FDM, siglas en inglés) pueden dar resultados acertados; sin embargo, siempre existe el uso de las aproximaciones envuelto. Desafortunadamente, ambos métodos son lentos y costosos [20] y no existe mucha documentación en esta área.

Dimensión del punto de focalización
Otro aspecto importante es la dimensión del punto de focalización alcanzable, en especial en el caso en que la dimensión mínima mensurable del defecto esté limitada por la dimensión del punto de focalización [6]. Bajo una perspectiva teórica, la dimensión del punto de focalización depende de la dimensión de la apertura, frecuencia (p. ej., longitud de onda) y distancia focal. Es decir, si se asume una apertura de 16 mm, con 7,5 MHz de frecuencia y distancia focal de 20 mm en agua (un enfoque muy corto), el ancho medio de 6 dB se aproxima a 2λ o 1 mm. Esto advierte que los defectos no pueden ser dimensionados por debajo de + 0,5 mm [20]. Esto se relaciona con las precisiones actuales extraídas a partir del dimensionamiento con las técnicas de difracción del eco de fondo [13] y los resultados optimizados de laboratorio [21].
Por otra parte, existe una escuela de pensamiento, que deriva del ámbito petroquímico, en donde se define un pequeño punto focal como perjudicial [4, 17], en especial al usar las metodologías de amplitud. No obstante, estos resultados muestran una precisión mucho más baja de dimensionamiento en comparación con los métodos de discriminación de zonas u otros (listados a continuación). Asimismo, existen limitaciones significativas en las técnicas de amplitud. Por ejemplo, el defecto debe estar centrado en el haz y ser más pequeño que este último. La correlación entre la amplitud de la señal y la dimensión del defecto es muy insuficiente (ejemplo en la Figura 4).

Figura 4:  Estudios relativos al dimensionamiento de tuberías [22]

Estudio provisto por Battelle para el Pacific Northwest Laboratory
En 1981, Battelle efectúo pruebas interlaboratorios de detección y dimensionamiento en tuberías nucleares dirigida a la Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos (en inglés Nuclear Regulatory Comission (NRC) [23]. Se usaron siete equipos. Este estudio implicó el estudio de varios materiales de tipo nuclear, entre los cuales destacan los austeníticos ferríticos, fundidos y forjados. También se investigaron defectos reales, como las grietas por corrosión bajo estrés. En virtud de una aplicación, procedimientos y tecnología antiguos, más las diferencias de los materiales, los resultados de dimensionamiento de defectos en este estudio resultaron deficientes y presentaban errores importantes de dimensionamiento.

Estudios de la Universidad de Gante

En 1997, IPLOCA (International Pipeline and Offshore Contractors Association) subvencionó un estudio de investigación y dimensionamiento llevado a cabo por la Universidad de Gante [4, 24]. La detección obtenida por ambos equipos AUT fue buena; pero, en el caso del dimensionamiento (efectuado por un solo equipo) se producía una desviación estándar del dimensionamiento del defecto, entre + 1,5 y 2 mm para los defectos de agrietamiento superficial. Este nivel de precisión de dimensionamiento fue confirmado posteriormente a partir de proyectos de validación por patrocinadores privados [24]. El trabajo que se realizó por la Universidad de Gante también demostró que el error de dimensionamiento de los defectos ocultos puede ser bastante importante.

Pruebas Transco:

Advantica analizó un estudio interno gracias al financiamiento del Gas Technology Institute con otras siente empresas de inspección [25]. Se determinaron cerca de nueve defectos típicos, entre los cuales destacan: la porosidad, la pérdida de fusión, el agrietamiento de cobre y los defectos transversales. Si bien el principal objetivo del estudio era la detección del defecto (que era buena), el dimensionamiento del defecto no fue nada admirable. El valor σ variaba de 1,1 a 1,8 mm [26]. Se hallaron errores hasta de 6 mm, mientras que la técnica TOFD solo dio buenos resultados en defectos más grandes y ocultos.

Resultados de la empresa Shell
Kopp y al. [27] publicaron un estudio interno que incluía la práctica de dimensionamiento de defectos (vea la figura 5). A partir de este se obtuvieron datos más coherentes, que mostraban una dispersión considerable entre el rango proporcional de ± 1 mm, más los múltiples puntos periféricos. También se obtuvo un subdimensionamiento, tal como se esperaba. Estos resultados son típicos dentro de la documentación relativa a las tuberías, y es posible superponerlas a diferentes estudios privados en este contexto. Los datos de Shell son la recopilación de varios programas que complicaban los análisis. El estudio se refiere a las precisiones de dimensionamiento de ± 0,3 mm cuya conclusión queda insostenible a partir de los datos publicados. Esta precisión se basa en el porcentaje de una dimensión de área, cuya validez no es soportada por ningún estudio publicado o privado conocido. Asimismo, omite los problemas de dimensión del punto focal, la correlación del defecto en función de la amplitud y la dispersión de longitud de onda (d~λ). Los datos otorgan un rango proporcional de precisión típico de ± 1 mm.

Figura 5: Datos de dimensionamiento de Kopp et al. [27]

Estudio de la empresa SAIPEM
Cataldo y Legori [28] publicaron un paquete limitado de datos para solicitar la certificación Det Norske Veritas (DNV). Estos datos demuestran una buena correlación con la dimensión de defectos (vea la Figure 6). Tal como los resultados obtenidos por Shell, existe poco subdimensionamiento; pero hay sobredimensionamiento. Puede que el rango proporcional de ± 1 mm no se encuentre fuera de línea. Los resultados de la empresa SAIPEM pueden ser superpuestos a los resultados de Shell (ver estudio anterior).

 

Una de las observaciones más interesantes es la comparación de sistemas de múltiples sondas convencionales con sistemas automáticos de ultrasonido de múltiples elementos (Phased Array-AUT). Al usar la misma configuración (y en teoría los mismos bloques de calibración), las diferencias son mínimas tal como se define por física. La empresa Shell/Shaw [27] usó el sistema de múltiples sondas; mientras que SAIPEM uso el sistema automático de ultrasonido de múltiples elementos. Se efectuaron otras dos comparaciones; pero, no se identificaron diferencias marcantes usando la misma configuración [25, 29].

 

Oceaneering OIS
La empresa internacional Oceaneering implementó una certificación DNV a principios del 2003, que generó un valor σ mucho más bajo que el de la empresa Shell, SAIPEM u otras (- σ ~ 0,6 mm). Este conjunto de datos se basaba principalmente en superficies laterales con falta de fusión (LOF); sin embargo, las paredes de las tuberías son un poco más delgadas que aquellas usadas en el caso de SAIPEM. La inspección en curso y los procedimientos de dimensionamiento no fueron resaltados en el documento interno [30]. Los resultados se muestran en la Figura 7.



Figura 7: Comparación de altura de los defectos actuales y medidos por Oceaneering.

En el momento de la redacción de la presenta reseña, no se tiene muy claro por qué los resultados de la empresa Oceaneering son mucho mejores que otros. Oceaneering no uso masivamente la técnica TOFD para minimizar el problema crítico de sobredimensionamiento (tal como se ve en la Figura 5), sino procedimientos estándares. Ante la situación planteada, las técnicas de ultrasonido multielemento ofrecen importantes ventajas en la práctica de dimensionamiento (haces adicionales, un enfoque controlado). Por ende, puede que la experiencia con estos sistemas de ultrasonido multielemento haya ayudado a mejorar los procedimientos.

 

Inspección interlaboratorios del Edison Welding Institute

Con el apoyo del GTI, el Edison Welding Institute (EWI) llevó a cabo estudios interlaboratorios junto a varias empresas en dos tuberías que contenían veinticuatro defectos con falta de fusión [21]. La variabilidad en los resultados de las empresas fue considerable, incluso al usar procedimientos habituales idénticos. En particular y en el mejor de los casos, el 45 % de los defectos fueron dimensionados dentro de +0,5 mm, y la mayoría dentro de +2 mm (vea la Tabla 1 a continuación).
Tal como con los resultados de Advantica, solo cerca de la mitad de los defectos del EWI podían ser analizados apropiadamente con la técnica TOFD; debido a que los defectos eran muy pequeños o se encontraban muy cerca de la superficie.
Mediante el uso de múltiples técnicas y bloques de tiempo, el EWI logró medir defectos con una precisión de +0,6 mm (Categoría A6 abierta). La incidencia fue que, a mayor cantidad de técnicas y esfuerzo mejor calidad de resultados. Esta observación se ve soportada en el estudio interlaboratorio PISC II para los recipientes de presión [7].

Acrónimo	Descripción de metodología	Precisión de dimensionamiento de la altura; error promedio «a» en mm y % de defectos detectados
		a<± 0.5 mm	±0,5> a <±2,0 mm	±2,0> a <±4,0 mm
A1	Sistema de múltiples sondas enfocadas: Linealización de amplitud	35%	35%	30%
A2	Técnica de múltiples sondas enfocadas: Algoritmo de dimensionamiento del fabricante (privado)	45%	45%	10%
A3	Técnica de múltiples sondas enfocadas: Zona y reglas de amplitud.	30%	45%	25%
A4	Técnica de multielemento enfocada a 48 elementos: Linealización de amplitud	40%	20%	40%
A5	Técnica de multielemento enfocada a 64 elementos: Linealización de amplitud	15%	35%	50%
A6	Técnica multielemento enfocada a 64 elementos: Escaneo sectorial	25%	25%	50%
A6 abierta	Técnica multielemento enfocada a 32 elementos: Escaneo por trama y sectorial	75%	25%	n/a

Tabla 1: Tabla EWI 2, «Precisión de dimensionamiento alcanzada» [21]

 

Det Norske Veritas
Los estudios de la asociación Det Norske Veritas (DNV), con respecto a la práctica de dimensionamiento, basados en un conjunto de datos de amplitud y otro TOFD, muestran un valor σ atípicamente bajo [22]. El subdimensionamiento fue mínimo y el error sistemático fue pequeño en ambos casos, ~ 0,1 mm, como en otros estudios. La desviación estándar fue de ±0,41 para un conjunto de datos y ± 0,62 para el otro paquete. Estos resultados mostraban un error significativamente más bajo que otros —aproximadamente el tercio de otros valores— en comparación con los resultados Oceaneering. Sin embargo, Oceaneering solo ofreció información para 88 puntos, mientras que DNV usó 204.

Como la Figura 8 es una aglomeración de estudios sin detalles disponibles, la conclusión acerca de las técnicas o procedimientos óptimos resulta compleja [31]. Puede que la diferencia se deba al análisis, proceso o tratamiento estadístico. Otra posibilidad con respecto a la obtención de este bajo valor σ, a partir de los resultados de laboratorio del EWI, es el uso de múltiples técnicas, el tiempo y los esfuerzos considerables [21]. Por lo general a partir de una inspección tan detallada se obtienen mejores resultados [6]. Puede que los resultados más interesantes sean los que provienen de la empresa Oceaneering, la cual ha hecho uso de equipos estándares [30].



Figura 8: Resultados de dimensionamiento de la DNV [22]
 

Datos R/D Tech
La empresa R/D Tech cuenta con datos de dimensionamiento privados recientes que pueden sobreponerse a los de las Figuras 5-8 sin conllevar a una importante distorsión. Estas características son similares: algo de dispersión (entre un rango proporcional de ± 1 mm), subdimensionamiento limitado, un sobredimensionamiento significativo, un error de dimensionamiento en promedio bajo. En sí, un análisis del valor cuadrático medio (RMS) con respecto a precisión de dimensionamiento, usando los métodos ASME, proporciona un valor de aproximadamente ± 1,1 mm a 1,7 mm, según el grupo de datos usado en curso (zonas ASTM, zonas modificadas, TOFD y combinaciones). Las técnicas combinadas brindas mejores resultados (σ más pequeños) que las zonas simples. Este grupo de datos también demuestra que la técnica TOFD para las tuberías se ve limitada. Y, por lo general, solo la mitad de la dimensión de los defectos puede ser medida directamente al usar dicha técnica.

Opinión

En la práctica, a excepción de los resultados obtenidos por Oceaneering y el EWI, los datos disponibles parecen ser bastante uniformes con respecto al valor RMS u σ determinado típicamente a más de 1 mm. Varios datos pueden ser superpuestos sin una distorsión grave, lo que sugiere que el problema se debe esencialmente a los límites tecnológicos y no a la experiencia del operador u operación del equipamiento. El error promedio se encuentra por lo general por debajo de 1 mm con un subdimensionamiento limitado. A estas alturas, la mayor evidencia sugiere que las precisiones del dimensionamiento superiores a σ ± 1 mm no son realistas. El grupo de datos privados de R/D Tech sugiere que el rango proporcional de ± 1 mm es en realidad un RMS o desviación estándar de <± 1 mm. Sin embargo, los datos no pueden llegar a ser comparados debido a la variación de las condiciones de ensayo, la heterogeneidad de los procedimientos AUT y la alteración en términos de seccionamiento. Por lo general, el error promedio de dimensionamiento es pequeño, cerca de cero milímetros.

Por otra parte, las técnicas de difracción ofrecen un mejor potencial que las técnicas de amplitud; pero, la técnica TOFD se ve limitada en particular ante defectos mucho más pequeños y defectos que se hallan cerca de la superficie. En efecto, confiar solo en las técnicas de amplitud limitaría típicamente la precisión del dimensionamiento a un diámetro de punto de focalización (~ 2 mm, o el rango proporcional de ± 1 mm, tal como se percibe a partir de los estudios más recientes) con frecuentes valores atípicos. Hecha esta observación, la aplicación de amplitudes no mejora mucho los valores σ. Adicionalmente, el subdimensionamiento no es un problema mayor. En principio, la técnica TOFD tendría que minimizar la cantidad de grandes picos de diferencia.

Cabe agregar que la demanda en curso para un dimensionamiento de defectos con una precisión de ± 0,3 mm en instalaciones industriales (nuevamente, terminología no definida) parece poco realista a partir de los resultados publicados. No hay evidencia de que resultados no publicados (o privados) muestren cualquier mejora significativa. En materiales nucleares, mediante el uso de una longitud de onda (λ) más corta y una perfecta geometría, se han logrado precisiones repetibles de ± 0,1 mm [32]. Sin embargo, no es posible aplicar estas frecuencias ultrasónicas en aceros ferríticos, cuya microestructura se ve limitada. Aunque se han realizado algunos estudios acerca de los límites del ultrasonido en aceros [33]; más adelante, deberán desarrollarse en concreto otros estudios con respecto a los materiales de las tuberías y las condiciones AUT.

A partir de una perspectiva FFS, la mejor solución con respecto a la tecnología actual es agregar de ± 1 mm a ±1,5 mm en todas las estimaciones de dimensionamiento según una tendencia conservativa; esto cubriría cualquier subdimensionamiento En el caso de defectos más grandes, la mejor solución es usar más de una técnica para evitar un sobredimensionamiento extremo (5 mm a más) [22]; por lo general, puede usarse la discriminación de zonas, TOFD, difracción del eco de fondo, y múltiples ángulos [6] si el tiempo lo permite (especialmente en el caso de tuberías ascendentes [Risers] y de tensión [Tendons] de plataformas marítimas).
Desafortunadamente, las inspecciones en servio ofrecen resultados mucho más deficientes que aquellos provenientes de pruebas de laboratorio. Las buenas noticias son que los resultados recientes (Oceaneering y EWI) son probablemente mejores que los resultados más antiguos (Shell y Advantica).

Afortunadamente, hay un camino que se labra en la mejora de alternativas y técnicas de dimensionamiento. R/D Tech [posesión de Olympus desde el año 2005] trabaja en varios planos de elevado potencial:
1. La difracción de fondo [13]: Esta técnica ofrece un potencial para medir defectos inferiores a ± 0,5 mm, lo cual aún no ha sido comprobado en los ensayos. El mayor problema reside en la identificación de la señal correcta y la resolución en el tiempo determinado.
2. Procesamiento de la señal TOFD [34]: Esta técnica restaura las señales TOFD para permitir el dimensionamiento defectos más pequeños. Los resultados son interesantes; pero, tal como con las técnicas DSP, los errores de enfoque son posibles.
3. Focalización mejorada [35]: El aumento de una cantidad de elementos y matrices puede reducir la dimensión del punto focal y otorgar una precisión mejorada del dimensionamiento.
Ante la situación planteada, puedan que existan otras innovaciones que se están desarrollando en el mundo.

Conclusiones

1. El dimensionamiento de tuberías AUT ha ganado importancia con el uso de la práctica de aptitud/capacidad para el servicio (del inglés Fitness-For-Purpose), especialmente en el caso de tuberías ascendentes y de tensión de plataformas marítimas.
2. Por lo general, la técnica TOFD ofrece un mejor dimensionamiento que los métodos de amplitud; a pesar de ello, la técnica TOFD presenta varías limitaciones en términos de detección de defectos pequeños y cercanos a las superficies.
3. Los pocos estudios realizados, que han podido ser consultados, brindan resultados bastante regulares, a pesar de las variaciones en los procesos. A excepción de una o dos excepciones, existe un rango coherente en relación con las precisiones; un mejor conocimiento de los procesos podría explicar este aspecto.
4. A través de los estudios se percibe una tendencia de sobredimensionamiento en lugar de subdimensionamiento, lo cual es coherente en el caso de defectos pequeños.
5. La industria petroquímica no usa análisis rigurosos ni una terminología, a diferencia de la industria nuclear; por lo tanto, las precisiones estimadas no siempre son definidas, dando lugar al uso de un rango proporcional, desviación estándar, RMS, aproximación u otro valor.
6. El error de dimensionamiento promedio es pequeño y aleatorio (por lo general, mucho más bajo que 1 mm).
7. La mayor parte de estudios muestran que los errores de dimensionamiento caen en un rango proporcional de ± 1 mm; además, el valor σ varía de ± 2 mm, acompañado de otros valores atípicos según el defecto, condición, etc.
8. No se dispone de información publicada que evidencie precisiones de ± 0,3 mm en campo hasta la fecha [julio del 2004].
9. Afortunadamente, se están desarrollando técnicas con un estupendo potencial que mejorarían significativamente la práctica de dimensionamiento de los defectos.

Agradecimientos

Mr. Ed Ginzel del Materials Research Institute, Waterloo, Ontario por la asistencia y el asesoramiento valiosos. Empresa Oceaneering OIS por proporcionar datos privados destinados a la asociación DNV.

Referencias