Ensayos por ultrasonido bajo condiciones de alta temperatura

Si bien la mayoría de las inspecciones, que sirven para detectar defectos y medir el espesor de materiales por ultrasonido, son ejecutadas bajo condiciones normales de temperatura, 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 examinar tuberías o tanques metálicos sin detener el servicio para dejarlos enfriar. 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 piezas de fundición antes de que se enfríen completamente.

Las sondas de ultrasonido convencional pueden tolerar temperaturas de hasta 50 °C o 122 °F aproximadamente. 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 122 °F, es necesario emplear una sonda de alta temperatura y técnicas analíticas especiales.

En esta nota de aplicación, se ofrece una breve información de referencia para seleccionar sondas y acoplantes destinados a altas temperaturas, así como los factores importantes con respecto a su uso. Incluye, además, información sobre los ensayos por ultrasonido convencional que se llevan a cabo en materiales con temperaturas de hasta 500 °C o 932 °F aproximadamente. En aplicaciones de investigación que aplican temperaturas superiores, se usan técnicas de ondas guiadas altamente especializadas. Dichas aplicaciones quedan fuera del ámbito de esta nota de aplicación.
 

Sondas para altas temperaturas

Las sondas para ensayos no destructivos (END) de altas temperaturas se presentan en dos categorías: sondas duales y sondas con líneas de retardo. En ambos casos, el material de 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 caliente bajo ensayo. Por motivos de configuración estructural, no existen sondas de contacto para altas temperaturas o sondas de inmersión en la línea de productos estándar. 

Sin embargo, las sondas duales para altas temperaturas y las sondas con líneas de retardo están disponibles para las aplicaciones de medición de espesores y detección de defectos. Al igual que en todos los ensayos por ultrasonido, la selección de la mejor sonda (o transductor) para una determinada aplicación debe efectuarse conforme a ciertos requisitos de ensayo específicos, como el material, el rango de espesor, la temperatura, el tipo y el tamaño del defecto relevante (estos últimos en el caso de la detección de defectos).

1. Sondas para la medición de espesores en altas temperaturas

La aplicación más común para la medición de espesores bajo condiciones de alta temperatura es controlar la corrosión. Esto implica medir el espesor metálico restante de las tuberías y tanques calientes con medidores dedicados a la corrosión, como el 39DL PLUS™ y el 45 MG. La mayoría de las sondas (o transductores) diseñadas para ser usadas con los medidores de corrosión de Evident pueden ser utilizadas bajo condiciones de alta temperatura. Las sondas de la serie D790 pueden ser usadas sobre superficies que presentan temperaturas tan calientes de hasta 500 °C o 932 °F. Para obtener una lista completa de las sondas duales dedicadas 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 medidor 39DL PLUS o 45MG—dotado de la opción de software Sonda monoelemento , es posible configurar cualquiera de las sondas estándares con líneas de retardo Microscan™ de la serie M200 (incluyendo las sondas M202, M206, M207 y M208) 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. Por otro lado, las líneas de retardo DLHT-101, DLHT-201 y DLHT-301 pueden utilizarse en superficies con temperaturas de hasta 175 °C o 347 °F. Puede consultar estas líneas de retardo en la Sección de opciones de sondas con 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 los medidores de espesores 39DL PLUS y 45MG, más la opción de software de Alta penetración. Estas sondas se dotan de un protector frontal reemplazable y líneas de retardo apropiadas para altas temperaturas. En base a lo precedente, se requerirán configuraciones personalizadas para las sondas. Las líneas de retardo estándar para esta familia de sondas pueden ser utilizadas sobre superficies que presentan temperaturas de hasta 480 °C u 896 °F. Para obtener la lista completa de sondas y líneas de retardo, haga clic en el siguiente enlace: Sondas con protector frontal reemplazable

2. Sondas para detectar defectos en altas temperaturas

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 con sondas dotadas de líneas de retardo. Todas nuestras sondas END estándar dedicadas 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 °C u 797 °F; aquellas con una frecuencia superior (entre 7,5 y 10 MHz) pueden ser utilizadas hasta una temperatura aproximada de 175 °C o 347 °F. Para obtener una lista completa de las sondas pertenecientes a esta categoría, haga clic en el siguiente enlace: Sondas duales dedicadas a la detección de defectos.

Todas las sondas Videoscan con protector frontal reemplazable 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 896 °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 con líneas 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. Por otro lado, las líneas de retardo DLHT-101, DLHT-201 y DLHT-301 pueden usarse en superficies con temperaturas de hasta 175 °C o 347 °F. Estas sondas con sus líneas de retardo se encuentran detalladas en la Lista de sondas con líneas de retardo

También ofrecemos suelas (zapatas) especiales para altas temperaturas que pueden ser acopladas a sondas de haz angular; entre ellas se incluye 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 896 °F. Para obtener información sobre los tamaños disponibles, póngase en contacto con su representante de ventas local de Evident.
 

Acoplantes para ensayos ultrasónicos de alta temperatura

Los acoplantes que son usados normalmente para los ensayos por ultrasonido, como el propilenglicol, la glicerina y los geles, suelen evaporarse rápidamente al ser aplicados sobre superficies que presentan temperaturas elevadas de hasta 100 °C o 212 °F. Por consiguiente, los ensayos por ultrasonido 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. Los acoplantes utilizados fuera del rango de temperatura recomendado podrían generar un rendimiento deficiente de la propagación acústica o 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, cuyo estado es necesario para la transmisión de las ondas transversales.

Ofrecemos dos tipos de acoplantes para altas temperaturas:

1. Acoplante H-2: rango de temperatura de –18 °C a 400 °C (de 0 °F a 750 °F).

2. Acoplante I-2: rango de temperatura de –40 °C a 675 °C (de –40 °F a 1250 °F).

Tenga 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 Evident para obtener más información.

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

Técnicas de ensayo para aplicaciones de alta temperatura

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

1. Ciclo de servicio

Todas las sondas estándar para altas temperaturas están desarrolladas para un ciclo de operación establecido. 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 las sondas duales y sondas con líneas de retardo, el ciclo de trabajo recomendado con temperaturas superficiales de aproximadamente 90 °C a 425 °C (de 194 °F a 797 °F) no excede los diez segundos de acoplamiento entre la sonda y la superficie de la pieza (el tiempo recomendado es cinco segundos), 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. Algunos usuarios han optado por un enfriamiento que aplica agua para acelerar el descenso de la temperatura. Sin embargo, Evident no publica instrucciones oficiales para el enfriamiento por agua; por tanto, su idoneidad debe ser determinada por el propio usuario.

2. Funciones de congelación

Nuestros detectores de defectos de la serie EPOCH™ 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 (inmovilización) 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, el rápido refresco de la pantalla permite minimizar el tiempo de contacto de la sonda contra la superficie.

3. 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 realice rápidamente su trabajo. Una óptima 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. Esto evita que la sonda se tuerza o roce y, por lo tanto, se desgaste. Es necesario retirar/limpiar todo residuo seco de acoplante que quede en la punta de la sonda entre cada medición.

4. Aumento del valor de ganancia

Los medidores 39DL PLUS y 45MG ofrecen funciones ajustables para aumentar el valor de la ganancia, como es el caso con 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 aumentar la ganancia antes de iniciar una medición.

5. Variación de velocidad

La velocidad de la propagación acústica cambia en todos los materiales según su temperatura, y también disminuye si la temperatura de dichos materiales incrementa. Para efectuar mediciones precisas con los medidores de espesor, es necesario que la velocidad de propagación acústica esté siempre 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 de software para compensar la temperatura del medidor de espesor 39DL PLUS puede ser usada para ajustar automáticamente la velocidad acústica según temperaturas elevadas conocidas en base a una constante programada de temperatura/velocidad.

5. 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 Evident, este procedimiento es rápido y fácil gracias a su función de calibración cero; simplemente pulse las teclas 2nd F > Do Zero.

7. Aumento de atenuación

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 de 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 932 °F, la atenuación aumenta a aproximadamente 15 dB por 100 mm en la trayectoria acústica. Este efecto puede requerir un aumento considerable a nivel del valor de la ganancia en el instrumento cuando se miden largas trayectorias acústicas 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 de 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 para uso prolongado en altas temperaturas, que se han recalentado por uso bajo condiciones de alta temperatura, pueden representar una fuente significativa de atenuación total durante un ensayo.

8. Variación angular de suelas (zapatas)

En el caso de cualquier suela (zapata) para altas temperaturas, la velocidad acústica del material de la suela disminuirá si la temperatura de la pieza se eleva; esto conlleva a que el ángulo de refracción aumente (en metales) mientras la suela se calienta. Si esto plantea un problema en un ensayo determinado, el ángulo de refracción debe ser verificado según la temperatura de funcionamiento en curso. Por lo general, las variaciones térmicas durante los ensayos dificultan a menudo la determinación precisa del ángulo de refracción real.