Emisin Acstica: Mtodo de Inspeccin No Destructivo Para La Evaluacin De Componentes Soldados.

Juan. A. Lara Magallanes., Martn. Snchez Mtz. Resumen En Mxico, como en muchos otros pases, uno de los principales problemas que afrontan la industrias qumica, de construccin y del petrleo, son los altos costos que emplean en la inspeccin de tanques de almacenamiento, recipientes a presin, tuberas y otros. Estas inspecciones, por lo general, se realizan mediante mtodos convencionales de pruebas no destructivas, tales como: lquidos penetrantes (LP), ultrasonido (UT), partculas magnticas (PM) y Radiografa (RX). Estos mtodos convencionales no destructivos, en muchas ocasiones implican, sacar de servicio el recipiente o estructura a evaluar, lo cual conlleva a altos costos por paro del recipiente. La emisin acstica (EA) como mtodo de inspeccin no destructivo, elimina las desventajas que implican los mtodos convencionales. Para inspeccionar estructuras mediante emisin acstica no se requiere que la estructura est fuera de servicio. Adems, la evaluacin de la estructura mediante EA es de tipo global, a diferencia de los mtodos convencionales no destructivos que solo evalan la estructura de forma local. En el presente se proporcionan los fundamentos de la emisin acstica como mtodo de prueba no destructivo y se describen las principales caractersticas de las seales de emisin acstica y su aplicacin en estudios de integridad mecnica para localizar defectos activos tales como grietas, fallas, fugas, corrosin y otros.

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1. INTRODUCCIN A principios de los aos 60, una nueva tecnologa de ensayos no destructivos haba nacido y fue cuando se reconoci que las grietas y discontinuidades, mientras crecan, en recipientes a presin, podan ser detectadas mediante el monitoreo de sus seales de emisin acstica. Aunque, Emisin Acstica es el trmino ms ampliamente utilizado para este fenmeno, tambin se le ha llamado emisin de ondas de esfuerzo (stress wave emission), ondas de esfuerzo (stress waves), microsismos y/o actividad microssmica. [1] La definicin formal de la Emisin Acstica es La clase de fenmeno en el cual se generan ondas elsticas mediante la liberacin rpida de energa desde fuentes localizadas en un material. [2]

La inspeccin mediante emisin acstica es una tcnica no destructiva que ha demostrado grandes beneficios en estudios de evaluacin de integridad estructural, detectando fugas y defectos, en tanques, recipientes a presin, tuberas, puentes, etc. La Emisin Acstica (EA) difiere de otros mtodos no destructivos en dos principales aspectos. Primero, la energa que se detecta, se libera del interior del material que se est inspeccionando, a diferencia de otros mtodos como el ultrasonido o el radiogrfico en los cuales de cierta forma se induce una energa en los materiales. Segundo, la tcnica de Emisin Acstica es capaz de detectar procesos dinmicos asociados con la integridad estructural (crecimiento de grietas, deformacin plstica).[1] En otras palabras, la tcnica de Emisin Acstica detecta movimientos, mientras que los Mtodos convencionales de pruebas No Destructivas (MND) detectan discontinuidades geomtricas. En la tabla 1 se da una comparacin entre el mtodo de Emisin Acstica y los mtodos tradicionales de pruebas no destructivas.

Tabla 1. Comparacin entre el mtodo de EA y los MND.[7] Emisin Acstica MND

Defecto: Crecimiento/Movimiento Presencia de Defecto En relacin a la carga aplicada En relacin a la forma

Ms sensitivo al material Menos sensitivo al material Evaluacin global Evaluacin local

Principal Problema: Principal Problema:

Ruido y Evaluacin de Datos Acceso, Geometra y Evaluacin de datos

2. PRINCIPIO DE EMISION ACUSTICA La figura 1a muestra un cuerpo, con un defecto inicial, sometido a esfuerzo de tensin. Si existe desarrollo del defecto en el cuerpo, sus seales de emisin acstica revelarn su existencia durante su crecimiento (figura 1b). Esta es una de las principales ventajas de la tcnica de emisin acstica Monitoreo en Tiempo Real.[3]

Figura 1. cuerpo sometido a esfuerzos desarrollando un defecto

Una fuente de emisin acstica genera un paquete de ondas elsticas expandindose y, cuando este paquete de ondas llega a la superficie del cuerpo, las ondas empiezan a transmitirse superficialmente. Gracias a este fenmeno es posible realizar la deteccin de defectos a distancia mediante el uso de sensores cermicos piezoelctricos (Fig. 2).

2.1 Efecto Kaiser Una caracterstica importante en las aplicaciones de emisin acstica es la respuesta, generalmente irreversible, de la mayora de los metales. En la practica, a menudo se encuentra que, una vez que la carga ha sido aplicada y que la emisin acstica, relacionada a esta carga, ha ocurrido, no habr seales de emisin acstica adicionales, sino hasta que se aplique una carga mayor a la previamente aplicada (ver figura 3). A este comportamiento a menudo til (y algunas veces problemtico) se le ha llamado el efecto Kaiser, en honor del investigador, quien fue el primero en reportarlo[4]

Transductor de EA

Ondas Superficiales

Fuente de EA

Figura 2. Propagacin de las ondas de emisin acstica.

Defecto Inicial

Microgrieta

El efecto Kaiser en la prctica tiene gran aplicacin. Por ejemplo: para que una estructura, que ha estado en servicio, pueda ser inspeccionada mediante EA, es necesario conocer el mximo nivel de esfuerzos experimentado por dicha estructura hasta antes de su prueba o inspeccin con EA. De otra forma si durante la prueba o inspeccin con EA no se sobrepasa el mximo nivel de esfuerzos previamente aplicado, entonces habr muy pocas y/o insignificantes seales de EA. 2.2 Efecto Felicity Otra aplicacin del efecto Kaiser se deriv del estudio de casos en los cuales ste efecto no se presentaba. En general, se encontr que el material generaba ondas de emisin acstica, aun y cuando no se hubiese aplicado una carga mayor a la previamente aplicada, esto a menudo se presenta en materiales en condiciones pobres y/o cercanos a fallar y se le denomina el efecto Felicity.[1,5] (ver figura 3)

Figura 3. Representacin de los Efectos Kaiser y Felicity

3. INFORMACION TIL DE LAS SEALES DE EMISION ACUSTICA La deteccin de seales de emisin acstica se realiza mediante el uso de transductores, los cuales, como ya se ha mencionado, se colocan en la superficie del material a inspeccionar. Este tipo de transductores, consisten de materiales cermicos piezoelctricos cuya funcin es detectar el movimiento de las ondas elsticas (emisin acstica) y convertir este tipo de seal en voltaje elctrico. Despus, la seal (en forma de voltaje) es amplificada con ayuda de un pre-amplificador, asegurando as que la seal tenga suficiente intensidad para llegar al equipo de adquisicin y anlisis de seal (computadora). Un equipo de anlisis de seal por lo general consta de una computadora y de programas (software) que facilitan el anlisis de las caractersticas de las seales de EA. En la figura 4 se muestra esquemticamente la forma de una seal tpica de emisin acstica con sus principales caractersticas.[3] Mediante el anlisis de caractersticas de las seales de emisin acstica, es posible evaluar la integridad estructural del material y en muchas ocasiones es posible determinar la ubicacin de los defectos. Las principales caractersticas de las seales de emisin acstica (Fig. 4) son: Duracin, Tiempo a la mxima amplitud, Amplitud, Energa, y Conteos.

EA

En la practica, cuando se inspecciona alguna estructura mediante emisin acstica, existen movimientos y/o vibraciones ajenas a la estructura, las cuales emiten seales de emisin acstica y, obviamente, este tipo de seales no son de inters en la inspeccin y se les denomina Ruido. Este tipo de ruido emite seales de cierta amplitud y es posible determinar un nivel de deteccin, de tal forma, que solo se detecten las seales con amplitudes superiores a las de los ruidos. A este nivel de deteccin se le denomina Umbral (Threshold).

La duracin (D) de una seal de emisin acstica, es el tiempo transcurrido entre la primera y la ltima seal que sobrepasa el nivel de deteccin prefijado. Existen ciertas interferencias de carcter electromagntico que causan ruido y se caracterizan por duraciones muy pequeas, lo cual permite realizar un filtrado de las mismas. Por otro lado las fugas y la friccin mecnica tienen la caracterstica de emitir seales de muy larga duracin. La duracin es sin duda una caracterstica importante de las seales de EA para un mejor entendimiento de su proceso de generacin.

El tiempo a la mxima amplitud (R), es el tiempo transcurrido entre la primera seal que sobre paso el nivel de deteccin y la seal que presenta un pico mximo. Al igual que en la duracin, las seales producidas por interferencias electromagnticas, se caracterizan por un tiempo R muy corto y de esta forma, tambin es posible filtrar las seales de emisin acstica.

La amplitud, es el mximo valor alcanzado por la seal de emisin acstica. Este valor es importante, ya que determina la intensidad de las seales. La amplitud por lo general se expresa en decibeles de emisin acstica (dBae). Las seales menores a 35 dBae se consideran dbiles, seales entre 35 y 75 dBae de intensidad media, seales entre 55 y 75 dBae intensas y las mayores a 75 dBae muy intensas.

La energa, es el valor del rea encerrada bajo la curva (Fig. 4) su valor es proporcional a la energa real de la onda de emisin acstica y a la vez, es representativo de la intensidad y la duracin de la seal. Los conteos o