Inspección de componentes calientes hasta 150 °C con la solución phased array para altas temperaturas de Olympus

Introducción

Llevar a cabo inspecciones por ultrasonidos multielementos «phased array» en piezas y componentes que suelen estar expuestos a altas temperaturas comporta ciertas dificultades. Los elementos piezoeléctricos y las conexiones internas de las típicas sondas phased array son sensibles al calor y pueden llegar a dañarse con altas temperaturas. Para contrarrestar este efecto, Olympus ha desarrollado una nueva herramienta que permite llevar a cabo inspecciones en altas temperaturas de hasta 150 °C.

Desafíos

Puesto que las sondas phased array se recalientan, los elementos piezoeléctricos y sus conexiones eléctricas pueden verse dañadas. Nuestras pruebas demuestran que las típicas sondas phased array fallan completamente al alcanzar 80 °C. Para evitar riesgos, es necesario que las sondas no excedan los 60 °C.

Por ende, el aislamiento, la disipación de calor y el enfriamiento son considerados los tres factores principales al diseñar una suela capaz de prevenir el calor excesivo al que pueden ser expuestos los elementos de una sonda. Del mismo modo, el cable de la sonda también debe ser protegido de los componentes calientes bajo inspección.

La velocidad del sonido en la suela y en los componentes también varía con la temperatura. Esto puede afectar los cálculos de ley focal y el desplazamiento del punto de indexación lo cual genera errores de posicionamiento al localizar los defectos. La atenuación de la señal del ultrasonido y el cambio de la frecuencia también deben de ser considerados.

Solución

Olympus ha desarrollado una nueva serie de suelas que permite llevar a cabo inspecciones en componentes calientes con más de 150 °C. Para poder caracterizar y validar la eficiencia de estas suelas, el análisis de laboratorio ha sido efectuado con el detector de defectos OmniScan MX2. El equipo ha sido configurado para escanear un área mediante ondas transversales de 40° a 70° para una inspección de soldadura con las sondas phased array.

Las suelas son fabricadas con una resina de polieterimida termoplástica amorfa, llamada ULTEM™. Este material se caracteriza por su elevada resistencia térmica, robustez y rigidez, gracias a la temperatura de transición vítrea de hasta 200 °C.

Dos modelos de suelas han sido diseñados pensando en una aplicación específica; las dos suelas —SA31C-ULT-N55S-IHC y SA32C-ULT-N55S-IHC— se encuentran disponibles para cualquier solicitud de adquisición. Las suelas cuentan con taladros de sujeción para instalar el codificador de rueda Mini-Wheel que permite codificar la inspección. Puesto que es un material fácil de preparar, otras series de sondas Olympus podrían ser fabricadas con ULTEM. Sin embargo, debido a que la disipación de calor depende también de la geometría de la suela, es necesario actuar con precaución y solicitar la información necesaria a un representante de Olympus para validar su pedido.

Sonda Olympus acoplada a una suela ULTEM

Los ensayos de laboratorio han sido efectuados en componentes calentados a 150 ºC. El detector de defectos OmniScan MX2 ha sido usado para efectuar un típico escaneo de sector a partir de ondas transversales de 40º a 70º, con una resolución de 1º. Un acoplante de glicerina ha sido usado para acoplar la sonda a la suela; adicionalmente, se ha usado un acoplante para altas temperaturas que permite situar la suela sobre el componente bajo inspección.

N.º de referencia de las piezas que intervienen en la inspección de alta temperatura

Nota: las suelas PA personalizadas que se han listado anteriormente han sido diseñadas teniendo en cuenta varias aplicaciones. En caso de que la configuración de la aplicación cambie significativamente de lo proyectado, puede que la suela ya no sea apropiada; por ende, se recomienda cambiar a otro diseño de suela. Para obtener mayor información, escríbanos a : eto@olympus-ossa.com.

*Generalmente, en las aplicaciones relativas a la medición de espesores y detección de defectos por ultrasonidos se usan películas finas de acoplante en ambientes abiertos donde la más mínima cantidad de gas generado puede disiparse rápidamente. Sin embargo, si intempestivas llamaradas de autoignición se desprenden a partir del gas producido por el acoplante, este acoplante no debe ser usado por encima de la temperatura de autoignición.

Resultados

Se han efectuado pruebas de sondas con diferentes frecuencias para evaluar el cambio de la frecuencia central ocasionado por el material ULTEM. Bajo condiciones de temperatura ambiente, la frecuencia central de las sondas de 2.25 MHz permanece igual, pero la frecuencia central de las sondas de 5 MHz cambia a 4 MHz. El cambio más relevante de la frecuencia se aprecia en las sondas de 7.5 MHz, las cuales muestran un cambio a 5 MHz. Por ende, las sondas que presentan frecuencias por encima de 5 MHz no deben ser utilizadas con las suelas ULTEM. Durante los ensayos efectuados con sondas de 5 MHz sobre una superficie a 150 °C, la frecuencia central incrementada se redujo a 3 MHz.

De la misma manera que las propiedades de aislamiento del material ULTEM permiten proteger la sonda de factores térmicos, la disipación del calor también es importante para períodos de inspección prolongados. Por ello, bajo condiciones de temperatura ambiente a 25 °C, es posible mantener la sonda sobre la superficie de 150 °C por diez (10) minutos como máximo. Pero, se necesitan 10 minutos suplementarios para enfriar la sonda y la suela. Transcurrido este período, no se ha observado ningún daño ni en la suela ni en la sonda.

No se observa ninguna atenuación relevante que pueda provenir de la señal del ultrasonido cuando la pieza alcanza los 150 °C, siempre y cuando la calidad del acoplamiento se mantenga entre la suela y la pieza. Por lo tanto, los usuarios deben asegurar un acoplamiento adecuado. Al usar una sonda de 5 MHz con suelas de ULTEM, se ha observado una atenuación de señal de 4 dB, que es generalmente considerada aceptable.

Puesto que la temperatura incrementa de 24 °C a 150 °C , la velocidad de propagación del ultrasonido que proporciona el material de suela ULTEM baja de 2470 m/s a 2270 m/s, a diferencia de la velocidad de propagación de la onda transversal en acero que baja de 3240 m/s a 3103 m/s. Por consiguiente, al usar leyes focales calculadas mediante las velocidades del ultrasonido (adquiridas en temperatura ambiente), se han observado pequeños desplazamientos en el índice del haz y la disminución de algunos grados en el ángulo de refracción cuando la pieza alcanzó los 150 °C. Incluso si dichos desplazamientos o dicha disminución son mínimos, es necesario considerar estos errores para posicionar de manera aún más precisa los defectos bajo condiciones de alta temperatura conforme a los requisitos de inspección. Es posible eliminar este error al calcular las leyes focales mediante las velocidades de propagación conocidas bajo condiciones de temperatura operacional. Para reducir aún más el riesgo de errores debido a los cambios de velocidad, Olympus ha definido el ángulo de suela para obtener un ángulo de refracción con el valor nominal deseado en acero para una temperatura de 100 °C con la velocidad del material ULTEM determinada a 2340 m/s.

Bajo condiciones de temperatura ambiente, la detección alcanza una onda transversal de 60° con una ganancia de 45 dB.

Bajo un temperatura de 150 °C, la detección alcanza una onda transversal de 63° con una ganancia de 49 dB y una trayectoria acústica de 33,6 m.

Nota importante:

Para asegurar la integridad estructural de la sonda y las suelas, el grupo de instrumentos no debe ser usado por más de 10 minutos a la vez y debe seguir un período de enfriamiento de 10 minutos antes de volver a ser utilizado. Este ciclo de trabajo se basa en condiciones de temperatura ambiente a 25 °C. Los usuarios deben asegurar un ciclo de trabajo apropiado según las condiciones de trabajo en caso la temperatura ambiente excediera los 25 °C.

Conclusión

Las suelas de Olympus para altas temperaturas permiten llevar a cabo, de forma sencilla y económica, inspecciones phased array codificadas manualmente en componentes de hasta 150 °C, siempre que el usuario considere las siguientes premisas: frecuencia máxima de la sonda de 5 MHz; pequeña disminución negativa de la frecuencia; pequeño cambio en la atenuación y pequeño cambio positivo en el ángulo de refracción.