T.E.G Cáceres Yessica, Paolini Jean
215
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO ELABORACIÓN DE UN PROTOCOLO DE INSPECCIÓN MEDIANTE ULTRASONIDO PARA RIELES DE VÍAS FÉRREAS Y PARA SOLDADURA ALUMINOTERMICA Presentado ante la ilustre Universidad Central de Venezuela, Por los Bachilleres: Yessica C. Cáceres C. Jean C. Paolini R. Para optar al Título de Ingeniero Mecánico Caracas, 2012
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TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ELABORACIÓN DE UN PROTOCOLO DE INSPECCIÓN MEDIANTE
ULTRASONIDO PARA RIELES DE VÍAS FÉRREAS Y PARA SOLDADURA
ALUMINOTERMICA
Presentado ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela,
Por los Bachilleres:
Yessica C. Cáceres C.
Jean C. Paolini R.
Para optar al Título de
Ingeniero Mecánico
Caracas, 2012
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO
ELABORACIÓN DE UN PROTOCOLO DE INSPECCIÓN MEDIANTE
ULTRASONIDO PARA RIELES DE VÍAS FÉRREAS Y PARA SOLDADURA
ALUMINOTERMICA
Tutor Académico: Prof. José Chitty.
Presentado ante la ilustre
Universidad Central de Venezuela,
por los Bachilleres:
Yessica C. Cáceres C.
Jean C. Paolini R.
Para optar al Título de
Ingeniero Mecánico
Caracas, 2012
iii
iv
v
DEDICATORIA
A mí mamá, mi papá y mi hermana…
Porque he recibido de la vida el regalo más hermoso…Mi familia.
Yessica Cáceres.
A Dios Todopoderoso.
A mi mamá y mi papá.
A mis hermanos.
A mis abuelas.
Jean Carlos Paolini.
vi
AGRADECIMIENTOS
A la ilustre Universidad Central de Venezuela, por ser nuestro segundo hogar y
ser testigo de cada una de las experiencias vividas durante estos años. Por ser la
casa de estudio que nos enseño que a pesar de las dificultades se pueden vencer
las sombras.
Al profesor José Chitty, por habernos brindado la oportunidad de desarrollar
este trabajo especial de grado y haber sido participe de este gran logro.
Al profesor Demián Pereira, por la invaluable colaboración prestada durante el
desarrollo del trabajo y por darnos las herramientas y el conocimiento necesario
que nos permitió realizar el mismo, logrando excelentes resultados Gracias por
su apoyo, su paciencia y por ser más que un profesor… un amigo.
A nuestros compañeros de estudio y amigos, gracias a ustedes serán
inolvidables cada una de las experiencias vividas durante nuestra vida
universitaria.
Yessica Cáceres y Jean Carlos Paolini.
A mi mamá y a mi papá por darme las herramientas para ser quien soy hoy en
día, por todo el amor y el apoyo incondicional y sobre todo por demostrarme
cada día lo orgullosos que están de mí. Este logro es para ustedes.
A Yessibeth por siempre estar ahí y hacerme reír en todo momento… eres una
de mis grandes motivaciones.
A Jean Carlos, por acompañarme en la búsqueda de este objetivo, por ser mi
amigo, mi columna, mi compañero de tesis y mi compañero de vida.
Yessica Cáceres.
vii
A Dios por estar siempre a mi lado, por guiarme y darme la fuerza para finalizar
este largo recorrido de forma exitosa.
A mi mamá y mi papá, por todo el amor y el apoyo que me han dado siempre y
por toda la enseñanza que he recibido de su parte, lo cual me ha permitido ser
quien soy hoy en día. Este logro es por y para ustedes.
A mi abuela, por ser la persona que estuvo desde mi infancia cuidándome,
apoyándome y ayudándome en todo lo que he necesitado. Por ser una de las
personas que más admiro y adoro en la vida.
A Yessica, por ser una excelente compañera de tesis, por hacer de éste último
año en la universidad inolvidable y sobre todo, por demostrarme día a día su
inmenso amor, definitivamente eres una novia espectacular.
Jean Carlos Paolini.
viii
Cáceres C. Yessica C.
Paolini R. Jean C.
ELABORACIÓN DE UN PROTOCOLO DE INSPECCIÓN
MEDIANTE ULTRASONIDO PARA RIELES DE VÍAS
FÉRREAS Y PARA SOLDADURA ALUMINOTERMICA
Tutor Académico: Prof. José Chitty.
Tesis. Caracas, UCV. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería
Mecánica. 2012, 193 páginas.
Palabras claves: Ultrasonido, Protocolo de inspección, Discontinuidades,
Rieles, Soldadura aluminotérmica, Curvas DAC.
El desarrollo del presente Trabajo Especial de Grado, tiene por objeto la
elaboración de un protocolo de inspección para rieles y sus uniones por
soldadura aluminotérmica, mediante el método de inspección visual y el
método de inspección manual por ultrasonido a través de la técnica de pulso-
eco y transmisión, para la detección de discontinuidades presentes en los
mismos. Para la realización del mismo se procedió a ejecutar una serie de
ensayos. La función del protocolo es establecer los lineamientos a seguir para la
ejecución de la inspección, así como para la posterior evaluación de los
resultados obtenidos a través de la misma mediante los criterios de aceptación y
rechazo. Para el desarrollo del protocolo se realizaron una serie de ensayos por
medio del método de ultrasonido en rieles con discontinuidades artificiales,
variando diversos parámetros tales como, técnica de ensayo, nivel de energía
suministrado, frecuencia, tipo y diámetro del palpador, con la finalidad de
seleccionar aquellos que permitieron obtener mejores respuestas en pantalla,
tomando en cuenta factores como la amplitud de los ecos, la relación señal
ruido y el nivel de detectabilidad. Una vez seleccionados los palpadores a
emplear dentro del protocolo, se elaboraron las correspondientes curvas de
corrección distancia amplitud (DAC), las cuales representan el criterio de
aceptación y rechazo aplicables al presente protocolo.
ix
ÍNDICE GENERAL
INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1
CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEAMA ........................... 3
1.1 Planteamiento del problema ....................................................................... 3
1.2 Objetivos.................................................................................................... 5
1.2.1 Objetivo General ................................................................................ 5
1.2.2 Objetivos específicos .......................................................................... 5
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ............................................................. 6
2.1 ASPECTOS DE LA VÍA FÉRREA ....................................................................... 6
2.1.1 Elementos de la vía férrea .............................................................................................. 6
2.2 Rieles ......................................................................................................... 8
2.2.1 Función .............................................................................................. 8
2.2.2 Material .............................................................................................. 9
2.2.3 Microestructura ................................................................................ 10
2.2.4 Perfil ................................................................................................ 10
2.2.5 Longitud y peso ............................................................................... 11
2.2.6 Fabricación ....................................................................................... 11
2.2.7 Unión de rieles.................................................................................. 15
2.2.8 Soldadura Aluminotérmica ............................................................... 15
2.3 Discontinuidades y Defectos .................................................................... 18
2.3.1 Tipos de discontinuidades ................................................................. 18
2.3.2 Caracterización de las discontinuidades ........................................... 21
2.3.3 Defectología en rieles ....................................................................... 21
2.3.4 Defectología en soldadura aluminotérmica en rieles .......................... 23
2.4 Control de la calidad de los rieles ............................................................. 24
2.5 Ensayos no destructivos (END) ............................................................... 25
x
2.5.1 Objetivos de los END ....................................................................... 26
2.5.2 Capacitación, calificación y certificación .......................................... 26
2.5.2.1 Niveles de certificación ............................................................. 28
2.6 Método de inspección visual .................................................................... 29
2.6.1 Tipos de inspección visual ................................................................ 30
2.6.2 Herramientas para la inspección visual ............................................. 31
2.6.3 Ventajas/Desventajas del método de inspección visual ...................... 31
2.7 Método de Ensayo por ultrasonido ........................................................... 32
2.7.1 Antecedentes .................................................................................... 32
2.7.2 Objetivo del ensayo y aplicación industrial ....................................... 33
2.7.3 Ventajas y limitaciones del ensayo por ultrasonido ........................... 33
2.7.4 Funcionamiento ................................................................................ 34
2.7.5 El ultrasonido ................................................................................... 34
2.7.5.1 Cualidades del sonido ................................................................ 35
2.7.5.2 Características de las ondas sonoras........................................... 36
2.7.5.3 Velocidad del sonido ................................................................. 38
2.7.5.3.1 Velocidad longitudinal ....................................................... 38
2.7.5.3.2 Velocidad transversal ......................................................... 39
2.7.5.4 Presión Acústica ........................................................................ 39
2.7.5.5 Velocidad instantánea de vibración ........................................... 39
2.7.5.6 El Haz ultrasónico ..................................................................... 40
2.7.5.7 Atenuación de las ondas ultrasónicas ......................................... 43
2.7.5.8 Generación del ultrasonido ........................................................ 45
2.7.6 Palpadores ........................................................................................ 46
2.7.6.1 Partes del palpador .................................................................... 46
2.7.6.2 Tipos de palpadores ................................................................... 47
xi
2.7.6.2.1 Según tipo de contacto ....................................................... 47
2.7.6.2.2 Según el ángulo de salida del haz ....................................... 48
2.7.6.2.3 Según el número de cristales .............................................. 48
2.7.6.2.4 Según la temperatura de ensayo ......................................... 49
2.7.6.3 Características de los palpadores ............................................... 49
2.7.6.4 Selección de palpadores ............................................................ 49
2.7.7 Propagación de ondas ....................................................................... 50
2.7.7.1 Ondas longitudinales ................................................................. 50
2.7.7.2 Ondas transversales ................................................................... 51
2.7.8 Transferencia de energía de un medio a otro ..................................... 53
2.7.8.1 Impedancia acústica .................................................................. 53
2.7.8.2 Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies límites 54
2.7.9 Incidencia angular............................................................................. 54
2.7.9.1 Ley de Snell .............................................................................. 55
2.7.9.2 Modos de conversión................................................................. 56
2.7.10 Factores que influyen en la transmisión del ultrasonido ................... 57
2.7.11 Técnicas de ensayo ......................................................................... 60
2.7.11.1 Pulso - Eco .............................................................................. 60
2.7.11.2 Resonancia .............................................................................. 61
2.7.11.3 Transmisión ............................................................................ 62
2.7.12 Equipo básico de inspección por ultrasonido ................................... 62
2.7.12.1 Presentación de datos .............................................................. 63
2.7.13 Interpretación de las señales en barrido A ....................................... 65
2.7.13.1 Relación señal ruido ................................................................ 65
2.7.14 Calibración del equipo .................................................................... 65
2.7.14.1 Bloque de calibración .............................................................. 66
xii
2.8 Procedimiento de inspección por ultrasonido ........................................... 67
2.8.1 Beneficios que aporta un procedimiento de inspección...................... 67
2.8.2 Personal capacitados para la elaboración de un protocolo .................. 67
2.8.3 Contenido de un protocolo de inspección .......................................... 68
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO .......................................... 70
3.1 SELECCIÓN DE ESPECÍMENES ..................................................................... 70
3.2 Equipo e instrumentos utilizados .............................................................. 72
3.3 Maquinado de espécimen N°3 .................................................................. 77
3.4 Inspección visual de los rieles .................................................................. 79
3.5 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de pulso eco con
palpadores normales....................................................................................... 79
3.6 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica pulso eco con
palpadores angulares ...................................................................................... 83
3.7 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de transmisión con
palpadores doble cristal .................................................................................. 85
3.8 Cálculo de parámetros y coeficientes representativos ............................... 87
3.9 Análisis de las señales .............................................................................. 87
3.10 Comparación de las señales .................................................................... 88
3.11 Selección de los palpadores y las zapatas................................................ 88
3.12 Elaboración de las curvas DAC .............................................................. 88
3.13 Evaluación de las señales ....................................................................... 89
3.14 Redacción del protocolo .................................................................................................89
CAPITULO IV RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ......... 90
4.1 Mecanizado del espécimen N°3 ................................................................ 90
4.2 Inspección visual ...................................................................................... 90
4.3 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de pulso eco con
palpadores normales....................................................................................... 91
xiii
4.4 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica pulso eco con
palpadores angulares .....................................................................................110
4.5 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de transmisión con
palpadores doble cristal .................................................................................119
4.6 Cálculo de parámetros y coeficientes representativos ..............................127
4.7 Análisis de las señales .............................................................................127
4.8 Comparación de las señales .....................................................................136
4.9 Selección de los palpadores y las zapatas ................................................143
4.10 Elaboración de las curvas DAC .............................................................143
4.11 Evaluación de las señales ......................................................................148
CAPITULO V PROTOCOLO DE INSPECCIÓN ....................................153
5.1 Objetivo ..................................................................................................153
5.2 Alcance ...................................................................................................153
5.3 Código, normas y documentos aplicables ................................................154
5.4 Requisitos y calificación del personal ......................................................154
5.5 Descripción de la pieza ...........................................................................155
5.6 Descripción del equipo ............................................................................155
5.7 Preparación de la superficie .....................................................................157
5.8 Procedimientos de calibración .................................................................158
5.8.1 Palpador normal...............................................................................158
5.8.1.1 Calibración en distancia ...........................................................158
5.8.1.2 Verificación de la resolución ....................................................159
5.8.2.1Palpadora angular ..........................................................................159
5.8.2.1 Calibración en distancia ...........................................................159
5.8.2.2 Verificación de salida del haz ...................................................160
5.8.3 Palpador doble cristal.......................................................................161
5.8.3.1 Calibración en distancia ................................................................161
xiv
5.9 Desarrollo de inspección .........................................................................162
5.9.1 Inspección visual .............................................................................162
5.9.2 Inspección por ultrasonido en rieles .............................................162
5.9.2.1 Palpador normal...................................................................162
5.9.2.2 Palpador angular 45°............................................................163
5.9.2.3Palpador angular de 60°/70° .................................................164
5.9.2.4 Palpador normal doble cristal ...............................................165
5.9.3 Inspección por ultrasonido en soldadura aluminotérmica .............166
5.9.3.1 Palpador normal...................................................................166
5.9.3.2 Palpador 70° ........................................................................166
5.9.3.3 Palpador 45° ........................................................................167
5.10 Criterio de Aceptación y rechazo ...........................................................168
5.11 Registro de indicaciones ........................................................................171
5.12 Reporte de resultados ............................................................................173
CONCLUSIONES ......................................................................................176
RECOMENDACIONES .............................................................................177
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................178
BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................180
ANEXOS .....................................................................................................183
Anexo 1 Grietas presentes en rieles ..........................................................184
Anexo 2 Indicaciones típicas para diferentes discontinuidades ..................186
APÉNDICES ...............................................................................................187
Apéndice 1 Perfiles de rieles utilizados en Venezuela ...............................188
Apéndice 2 Medidas de Bloques de calibración ........................................190
Apéndice 3Medidas de bloques patrones utilizados ..................................192
Apéndice 4 Morfología de la heterogeneidad. Interpretación de señales ....195
xv
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACERO ............................. 9
Tabla 22 Propiedades mecánicas del acero ....................................................... 9
Tabla 2.3. Propiedades físicas de los materiales piezoeléctricos ..................... 45
Tabla 3.1 Especificaciones técnicas USN 50 .................................................. 74
Tabla 3.2. Palpadores utilizados, ................................................................... 75
Tabla 3.3 Zapatas utilizadas ........................................................................... 76
Tabla 3.4 Cables y Adaptadores ..................................................................... 76
Tabla 4.1 Coeficiente de atenuación aparente ................................................127
Tabla 4.2 Relación señal-ruido para los palpadores disponibles .....................127
Tabla 4.3 Palpador 2,25 MHz, % de Ganancia 36dB .....................................136
Tabla 4.4 Palpador 5 MHz, % de Ganancia 36dB ..........................................137
Tabla 4.5 Comparación Palpadores 2,25MHz-5MHz.....................................138
Tabla 4.6 Palpadores de 45ª. Ensayo sobre el espécimen Nº1 .......................140
Tabla 4.7 Palpadores de 45ª. Ensayo sobre el espécimen Nº3 ........................141
Tabla 4.8 Palpadores Doble Cristal, % de Ganancia 52dB .............................142
Tabla 5.1 Codificación de defectos según la UIC ..........................................172
Tabla 5.2 Significado de la numeración .........................................................173
xvi
INDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 UNIÓN DE RIELES MEDIANTE ECLISAS ......................... 7
Figura 2.2 Perfil Vignole................................................................................ 10
Figura 2.3 Esquema del Proceso LD .............................................................. 12
Figura 2.4 Esquema del Proceso de Laminación ............................................. 13
Figura 2.5 Esquema de Fabricación del Riel ................................................... 14
Figura 2.6 Medición de la Cala ...................................................................... 16
Figura 2.7 Alineación ..................................................................................... 16
Figura 2.8 Molde ........................................................................................... 17
Figura2.9 Formación de rechupes................................................................... 20
Figura 2.10 Formación de Cordones ............................................................... 20
Figura 2.11 Falta de penetración en el patín ................................................... 23
Figura 2.12 Porosidades ................................................................................. 24
Figura 2.13 Rango de frecuencia del sonido ................................................... 35
Figura 2.14 Relación entre amplitud y longitud de la onda ............................. 36
Figura 2.15 Representación simplificada del haz ultrasónico ......................... 40
Figura 2.16 Geometría del haz para un palpador con divergencia angular de 15º
...................................................................................................................... 42
Figura 2.17 Partes de un palpador de incidencia normal ................................. 47
Figura 2.18 Esquema representativo de las ondas longitudinales o de
compresión .................................................................................................... 51
Figura 2.19 Representación esquemática de las ondas transversales o de corte 52
Figura 2.20 Diagrama ilustrativo de la transmisión y reflexión de un haz de
incidencia normal........................................................................................... 54
Figura 2.21 Representación gráfica de un haz con incidencia angular ............. 55
Figura 2.22 Modos de conversión ................................................................. 57
Figura 2.23 Sistema de Pulso-Eco ................................................................. 60
Figura 2.24 Sistema de Resonancia ................................................................ 61
Figura 2.25 Sistema de Transmisión ............................................................... 62
xvii
Figura 2.26 Diagrama de bloques de un instrumento ultrasónico ................... 62
Figura 2.27 Respuestas típicas del sondeo, tipo A-Scan para diferentes
posiciones ...................................................................................................... 63
Figura 2.28 Respuesta típica del sondeo, tipo B (B-Scan) ............................... 64
Figura 2.29 respuestas típicas del sondeo. tipo C (C-Scan) ............................ 64
Figura 3.1 Foto y esquema del espécimen Nº 1 .............................................. 71
Figura 3.2 Foto y esquema del espécimen Nº 2 .............................................. 71
Figura 3.3 Espécimen Nº 3 ............................................................................. 72
Figura 3.4 Espécimen Nº 4 ............................................................................. 72
Figura 3.5 Taladro Ferm FM-13 .................................................................... 73
Figura 3.6 Brocas para acero (Ø 3mm) .......................................................... 73
Figura 3.7 Equipo Ultrasónico USN 50 ......................................................... 74
Figura 3.8 Palpadores utilizados .................................................................... 75
Figura 3.9 Zapatas utilizadas ......................................................................... 76
Figura 3.10 Cables y Adaptadores ................................................................. 77
Figura 3.11 Bloque de Calibración I.I. W. V-1 ............................................... 77
Figura 3.12 Bloque de Calibración Nº 2 ......................................................... 78
Figura 3.13 Calibración en distancia (Hasta 500 mm) con palpador normal .... 80
Figura 3.14 Verificación de la resolución del palpador .................................. 80
Figura 3.15 Calibración de la sensibilidad del palpador ................................. 81
Figura 3.16 Movimiento del palpador normal para el ensayo del riel ............. 82
Figura 3.17 Calibración en distancia con palpador angular ........................... 84
Figura 3.18 Verificación de ángulo de salida de la zapata .............................. 84
Figura 3.19 Calibración en distancia con palpador doble cristal ..................... 86
Figura 4.1 Sección transversal del espécimen Nº 3 ........................................ 90
Figura 4.2 Vista lateral del espécimen Nº 3 ................................................... 90
Figura 4.3 Eco de Fondo, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, Pulsador alto 91
Figura 4.4 Discontinuidad A, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 92
xviii
Figura 4.5 Discontinuidad B, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 92
Figura 4.6 Discontinuidad C, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 93
Figura 4.7 Discontinuidad D, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 93
Figura 4.8 Discontinuidad E, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 94
Figura 4.9 Discontinuidad F, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 94
Figura 4.10 Discontinuidad G, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
alto ................................................................................................................ 95
Figura 4.11 Eco de Fondo. Espécimen Nº 1, Palpador 2,25 MHz, pulsador bajo
...................................................................................................................... 95
Figura 4.12 Discontinuidad A, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
bajo ................................................................................................................ 96
Figura 4.13 Discontinuidad B, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
bajo ................................................................................................................ 96
Figura 4.14 Discontinuidad C, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
bajo ................................................................................................................ 97
Figura 4.15 Discontinuidad D, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
bajo ................................................................................................................ 97
Figura 4.16 Discontinuidad E, Espécimen Nº 1. Palpador 2,25 MHz, pulsador
bajo ................................................................................................................ 98
Figura 4.17 Eco de Fondo. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto .. 98
Figura 4.18 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
...................................................................................................................... 99
Figura 4.19 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
...................................................................................................................... 99
xix
Figura 4.20 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................100
Figura 4.21 Discontinuidad D. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................100
Figura 4.22 Discontinuidad E. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................101
Figura 4.23 Discontinuidad F. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................101
Figura 4.24 Discontinuidad G. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................102
Figura 4.25 Eco de Fondo. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo 102
Figura 4.26 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................103
Figura 4.27 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................103
Figura 4.28 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................104
Figura 4.29 Discontinuidad D. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................104
Figura 4.30 Discontinuidad E. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................105
Figura 4.31 Discontinuidad F. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................105
Figura 4.32 Discontinuidad G. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................106
Figura 4.33 Eco de Fondo. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador alto
.....................................................................................................................106
Figura 4.34 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador
alto ...............................................................................................................107
xx
Figura 4.35 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador
alto ...............................................................................................................107
Figura 4.36 Eco de Fondo. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador bajo
.....................................................................................................................108
Figura 4.37 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador
bajo ...............................................................................................................108
Figura 4.38 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador 10 MHz, pulsador
bajo ...............................................................................................................109
Figura 4.39 Discontinuidad K. Espécimen Nº 3. Palpador 2.25 MHz (Ø13mm),
pulsador alto .................................................................................................109
Figura 4.40 Discontinuidad K. Espécimen Nº 3. Palpador 2.25 MHz (Ø13mm),
pulsador bajo ................................................................................................110
Figura 4.41 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1 Palpador 5MHz (Ø18mm) a
45º ................................................................................................................111
Figura 4.42 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz (Ø18mm) a
45º ................................................................................................................111
Figura 4.43 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador 5MHz (Ø18mm) a
45º ................................................................................................................112
Figura 4.44 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador de 2,25 MHz
(Ø13mm) a 45º .............................................................................................112
Figura 4.45 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador de 2,25 MHz
(Ø13mm) a 45º .............................................................................................113
Figura 4.46 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador de 2,25 MHz
(Ø13mm) a 45º .............................................................................................113
Figura 4.47 Discontinuidad D. Espécimen Nº 1. Palpador de 2,25 MHz
(Ø13mm) a 45º .............................................................................................114
Figura 4.48 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador de 5 MHz (Ø18mm)
a 60º
.....................................................................................................................114
xxi
Figura 4.49 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador de 5 MHz (Ø18mm)
a 60º ............................................................................................................115
Figura 4.50 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador de 5 MHz (Ø18mm)
a 70º.......................................................................................................... …115
Figura 4.51 Discontinuidad de 30 milímetros. Espécimen Nº 1. Palpador de
5MHz ((Ø18mm) a 70º .................................................................................116
Figura 4.52 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a
45º ............................................................................................................. ...116
Figura 4.53 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 2,25MHz
(Ø13mm) a 45º .............................................................................................117
Figura 4.54 Discontinuidad L. Espécimen Nº3. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm)
a 45º..............................................................................................................117
Figura 4.55 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a
60º ................................................................................................................118
Figura 4.56 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a
70º ................................................................................................................118
Figura 4.57 Discontinuidad M. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a
70º ................................................................................................................119
Figura 4.58 Eco de fondo. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal (DC) de
2MHz ...........................................................................................................120
Figura 4.59 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 2MHz .......120
Figura 4.60 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 2MHz ........120
Figura 4.61 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 2MHz ........121
Figura 4.62 Eco de fondo. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ..............121
Figura 4.63 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz .......122
Figura 4.64 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ........122
Figura 4.65 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ........123
Figura 4.66 Discontinuidad D. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz .......123
Figura 4.67 Discontinuidad E. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ........124
Figura 4.68 Discontinuidad F. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ........124
xxii
Figura 4.69 Discontinuidad G. Espécimen Nº 1. Palpador DC de 4MHz ......125
Figura 4.70 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador DC 2MHz .............125
Figura 4.71 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador DC 4MHz .............126
Figura 4.72 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz en el riel. ........................143
Figura 4.73 Curvas DAC para Palpador 5 MHz en el riel. ............................144
Figura 4.74 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45
grados en el riel. . ..........................................................................................144
Figura 4.75 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45
grados en la Soldadura. . ...............................................................................145
Figura 4.76 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 60
grados en el riel. ............................................................................................146
Figura 4.77 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 70
grados en el riel. ............................................................................................146
Figura 4.78 discontinuidad H con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm). ......147
Figura 4.79 Discontinuidad I con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm). ......148
Figura 4.80 Grieta A con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm). . .................148
Figura 4.81 grieta A con palpador angular de 45° y 2,25MHz.(Ø13mm) . .....149
Figura 4.82 Grieta B con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm). . .................149
Figura 4.83 grieta C con palpador angular de 45° y 2,25MHz. ......................150
1
INTRODUCCIÓN
En Venezuela, el aumento en la población y el desarrollo económico del país ha
despertado la necesidad de buscar opciones de transporte que faciliten y
agilicen el traslado de personas y de cargas hacia las diferentes zonas del
territorio nacional, por ello se cuenta en la actualidad con grandes planes en el
ámbito de la industria ferroviaria. La ejecución de dichos planes debe incluir un
efectivo control de calidad, que permita verificar las condiciones de los
distintos elementos que integran el sistema ferroviario y en especial de la vía
férrea, ya que de ello dependerá la seguridad de las personas que hagan uso de
los trenes y ferrocarriles.
Para el aseguramiento de la calidad de los componentes de la vía, haciendo
énfasis en los rieles, es fundamental, la inspección de los mismos mediante
diversas técnicas que permitan comprobar su buen estado sin comprometer su
integridad. Por tal motivo la aplicación de ensayos no destructivos representa
una opción atractiva a la hora de proceder a realizar dicha inspección.
Es por ello que con el presente trabajo especial de grado se pretende elaborar un
protocolo que permita la inspección de los rieles y de sus uniones soldadas
aluminotérmicamente, mediante el método de inspección visual y el método de
inspección manual por ultrasonido para así realizar un aporte a la cultura
ferroviaria del país y a los proyectos en vía de desarrollo.
El protocolo desarrollado representa una opción en la búsqueda de un estándar
de calidad, y con él se pretende facilitar la ejecución de la inspección,
proporcionando una herramienta que permita la detección de discontinuidades
presentes en los rieles, producto del proceso de fabricación y posterior
instalación, así como su evaluación y caracterización.
Para el logro de este objetivo, se establece primeramente una base teórica
referente a rieles, inspección visual e inspección por ultrasonido, la cual es
2
necesaria para la comprensión de los métodos y sus características. Los
conocimientos adquiridos son llevados a la práctica mediante la aplicación de
diversos ensayos sobre rieles patrones y posteriormente con el propósito de
seleccionar los parámetros que permitan la inspección óptima de las piezas, se
evalúan los resultados obtenidos a través de los mismos.
Finalmente se expone el protocolo en el cual se plasma el procedimiento a
ejecutar para realizar la inspección, así como también los requerimientos
mínimos necesarios para que la misma sea ejecutada de manera eficaz.
3
CAPITULO I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
En el ámbito ferroviario Venezuela cuenta con numerosos proyectos, unos en
planificación y otros en ejecución, con los cuales se pretende en el futuro unir
los cuatro puntos cardinales del país a través de este medio de transporte
masivo, con el objetivo de lograr una mejor movilización de personas y de
carga a través del territorio nacional, impulsando de esta manera el turismo y la
economía del país.
La inversión necesaria para llevar a cabo todos estos proyectos es realmente
elevada, siendo la adquisición de rieles uno de los costos más significativos, por
este motivo es imprescindible realizar una inspección detallada (tanto antes
como después de la instalación) de las vías, para garantizar la seguridad de la
infraestructura, pero sobretodo de los usuarios, ya que con esto se podrían
evitar descarrilamientos de trenes producto de fallas en los rieles y en las
uniones soldadas por aluminotermia, generadas por defectos en las mismas.
Cabe destacar que estos defectos son producto de discontinuidades presentes en
el material, que según las normas de aceptación y rechazo, bajo las cuales se
rige la empresa, representan una amenaza para el correcto comportamiento de la
pieza. Las discontinuidades típicas que pueden presentarse en los rieles son,
entre otras, inclusiones, porosidades, rechupes, rebarbas, mientras que en el
caso de la soldadura pueden encontrarse inclusiones de escoria, falta de
penetración, grietas, etc., características del proceso de soldadura utilizado.
4
Para llevar a cabo esta inspección, se debe utilizar un método que arroje datos
confiables y que además no perjudique la pieza, para tal propósito se hace uso
de los ensayos no destructivos.
Un ensayo no destructivo (END) se efectúa de manera que la integridad del
producto permanezca inalterable. Esto resulta de gran utilidad para la industria,
ya que mediante estos métodos se pueden examinar las piezas de tal modo que
se pueda asegurar el perfecto funcionamiento de las mismas o en tal caso
permita detectar, localizar y caracterizar las distintas fallas que pueda presentar
el material. Los ensayos no destructivos tienen un gran campo de aplicación,
entre ellos pueden citarse: la industria aeronáutica, industria petrolera,
instalación y mantenimiento de tuberías, recipientes a presión y la industria
ferroviaria, siendo ésta última nuestro tema de interés.
Para la detección de las discontinuidades mencionadas en párrafos anteriores, el
método de ultrasonido, específicamente la técnica de pulso-eco, resulta ser la
más utilizada en la actualidad gracias a sus ventajas, ya que permite localizar
con precisión discontinuidades muy pequeñas debido a su alta sensibilidad,
permite ensayar piezas de grandes espesores por su alto poder de penetración,
trabaja con tiempos de respuestas instantáneos y además posibilita el registro de
los datos de inspección para su posterior caracterización mediante un
computador.
Sin embargo, el uso de este método requiere de personal altamente calificado,
debido a la gran cantidad de decisiones críticas que debe tomar el operador,
además de la documentación pertinente (procedimiento de inspección y normas
de aceptación y rechazo del objeto a inspeccionar), para así asegurar la
fiabilidad de la inspección. Por tal motivo en el presente trabajo se desea
desarrollar un protocolo de inspección de las vías férreas que le permita al
operador calificado menos experimentado (Inspectores de ultrasonido nivel 1)
realizar el proceso de inspección de los rieles y de las uniones soldadas.
5
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo General
• Elaborar un protocolo de inspección de rieles ferroviarios recién
instalados y sus uniones por soldadura aluminotérmica mediante los métodos de
inspección visual e inspección manual por ultrasonido a través de la técnica de
eco pulsado, para la detección de discontinuidades presentes en las mismas,
producto del proceso de fabricación e instalación.
1.2.2 Objetivos Específicos
• Tipificar las discontinuidades geométricas y metalúrgicas más
comunes en rieles ferroviarios.
• Caracterizar las distintas señales ultrasónicas de acuerdo a cada
una de las discontinuidades presentes en los rieles producto del proceso de
fabricación y de la instalación de los mismos.
• Realizar la inspección visual y por ultrasonido de los rieles
ferroviarios y de sus uniones soldadas.
6
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
A continuación se presentan las bases teóricas utilizadas para el desarrollo del
trabajo especial de grado, necesarias para su entendimiento.
2.1 Aspectos de la vía férrea
La vía férrea es el sector de la infraestructura ferroviaria por donde circulan los
trenes.
2.1.1 Elementos de la vía férrea
La vía férrea está constituida por una serie de elementos tales como: el balasto,
los durmientes, las eclisas, sistema de alimentación, circuitos de vías, y los
rieles.
1. Balasto
Es el material granulado utilizado como base de la vía férrea. Estas pequeñas
rocas, generalmente de piedra caliza, son colocadas por debajo de los
durmientes de los rieles. La granulometría de éstas varía entre 40 y 50
milímetros. El balasto tiene una serie de funciones las cuáles se nombran a
continuación:
Distribuir de manera uniforme las cargas que reciben los durmientes
provenientes del material rodante, con el fin de evitar que los esfuerzos
permisibles de los durmientes sean superados.
Permitir que el terreno se mantenga en buen nivel y estable, ya que
mediante el balasto y otros componentes las cargas que son ejercidas
sobre el suelo son atenuadas.
7
Permitir el drenaje de las aguas de lluvia evitando su estancamiento con el
posible deterioro de la vía.
2. Durmientes
Los durmientes son los elementos que se colocan en dirección transversal al eje
de la vía. Éstos están situados por debajo del riel y por encima del balasto. La
principal función de este componente es servir de soporte y mantener a los
rieles en una posición fija a lo que altura, separación e inclinación se refiere.
Además permiten atenuar los esfuerzos provenientes del riel debido a la acción
de las ruedas del tren. Como se explicó con anterioridad, estas tensiones, ya
amortiguadas, son transmitidas al balasto con el objetivo de disminuir aún más
los esfuerzos, para que el terreno sea capaz de soportarlos.
3. Bridas o Eclisas
Son los elementos utilizados para unir los rieles durante el montaje de la vía.
Una vez finalizado dicho montaje, estos son en su mayoría, sustituidos por
soldadura aluminotérmica.
La utilización de eclisas como unión permanente está prácticamente en desuso
en la actualidad, ya que esto implicaba una reducción en el confort de los
pasajeros, un aumento considerable del fenómeno de fatiga en las ruedas del
tren y por último un incremento en los costos de mantenimiento para asegurar
la condición óptima de esa zona del riel.
Figura 2.1 Unión de rieles mediante eclisas [1]
8
4. Sistema de alimentación de energía
Existen varios métodos para proveer electricidad al tren, siendo los más
comunes el uso de una catenaria o de un tercer riel. El primero de estos
métodos consiste en una línea aérea de alimentación que transmite la energía
eléctrica al tren, su nombre se debe a la forma geométrica de la curva que
adquiere un hilo o cuerda sometido a su propio peso. Por otra parte, el tercer
riel es el método de alimentación utilizado en los sistemas Metro y consiste en
un riel rígido continuo, fabricado en acero de bajo contenido en carbono,
situado a uno de los lados de la vía férrea.
5. Circuito de vía
Son circuitos electrónicos utilizados para detectar la presencia de un tren en un
determinado tramo de vía. A este tramo de vía que ocupa un tren se le
denomina cantón.
6. Aparato de vía
Dispositivo encargado de los cruces y ramificaciones de las vías férreas.
7. Rieles
Es el elemento principal de las vía férrea, ya que sobre estas barras metálicas
de determinado perfil se apoyan los trenes.
En la siguiente sección se explicará con detalle diversos aspectos referentes a
este componente tan importante en la vía férrea.
2.2 Rieles
2.2.1 Función
Los rieles, como elemento principal de la vía, tienes tres importante funciones:
9
Resistir las cargas provenientes del material rodante y transmitirlas a los
otros componentes de la vía.
Guiar las ruedas del tren en la dirección del riel.
2.2.2 Material
Los rieles son fabricados en acero debido a la gran resistencia al desgaste y
dureza que este material ofrece. En la siguiente tabla se muestran los valores
exigidos para la composición química y las propiedades mecánicas de los
aceros utilizados en la fabricación de los rieles según la norma UNE EN
136741.
Tabla 2.1 Composición química del acero [2]
Grado de % en peso
10-4
% ppm
máx.
acero C Si Mn
P
(máx)
Cr
(máx)
Al
(máx)
V
(máx)
N
(máx) O H
R200 0,38/0,62 0,13/0,60 065/1,25 0,04 0,15 0,004 0,03 0,01 20 3
R220 0,50/0,60 0,20/0,60 1,00/1,25 0,025 0,15 0,004 0,03 0,008 20 3
R260 0,60/0,82 0,13/0,60 0,65/1,25 0,03 0,15 0,004 0,03 0,01 20 2,5
R320 Mn 0,53/0,77 0,13/0,62 1,25/1,75 0,03 0,15 0,004 0,03 0,01 20 2,5
R320 Cr 0,70/0,82 0,48/1,12 0,75/1,25 0,025 1,25 0,004 0,03 0,01 20 2,5
R350 0,70/0,82 0,13/0,60 0,65/1,25 0,025 0,15 0,004 0,03 0,01 20 2,5
Tabla 2.2 Propiedades mecánicas del acero [2]
Grado de Rm. Min Dureza
acero (MPa) HB
R200 680 200/240
R220 770 220/260
R260 880 260/300
R320 Mn 880 260/301
R320 Cr 1080 320/360
R350 1175 350/390
10
En la tabla 2.1 se observa que la composición química en los aceros para rieles
es variable y dependiendo de ésta, se tendrán diferentes niveles de fragilidad,
resistencia al desgaste, dureza y resistencia a la deformación.
2.2.3 Microestructura
La calidad del riel depende en buena medida de la microestructura del acero, es
deseable un grano fino, homogéneo y uniforme. Estas características se logran
mediante un proceso de fabricación bien controlado.
La microestructura típica para estos aceros posee un alto porcentaje de perlita,
lográndose incluso estructuras 100% perlíticas, con porcentajes de carbono
entre el 0.8 y 0,9%.
2.2.4 Perfil
La forma de los rieles está condicionada por la interacción que tenga éste con el
material rodante. Existen diversos tipos de perfiles tales como: riel simétrico,
riel Bull-Head, riel Phoenix y riel Vignole, siendo éste último el más utilizado
en todo el mundo, incluyendo Venezuela. Este perfil cuenta con tres partes
fundamentales:
Figura 2.2 Perfil Vignole [3]
11
La Cabeza: cuya forma es redondeada, es utilizada como elemento de
rodadura.
El patín: constituye la base del riel, cuya superficie inferior es plana
permitiéndole descansar sobre los durmientes.
El Alma: constituye la unión entre la cabeza y el patín.
En base a este perfil, la UIC (Union Internationale des Chemins de Fer, en
español Unión internacional de ferrocarriles) se ha encargado de estandarizar
las medidas que conforman estos rieles, siendo la UIC-54 y la UIC-60 las más
utilizadas en Venezuela, el primero de estos instalados en el Metro de Caracas
C.A. y el segundo en la línea ferroviaria Ezequiel Zamora. En el Anexo 1 se
muestran estos perfiles con sus respectivas medidas normalizadas.
2.2.5 Longitud y Peso.
La longitud de fabricación de los rieles está alrededor de 12 metros, debido a la
facilidad de transporte y de unión de los mismos en el campo mediante eclisas o
soldaduras aluminotérmicas.
En cuanto al peso, éstos se dividen en rieles ligeros cuyo peso no excede los 40
kg/m, usados principalmente en la industria minera, y rieles pesados cuyo peso
oscila entre 40 y 60 Kg/m, usados en líneas de “alta velocidad”. Cabe destacar
que los rieles UIC-54 y UIC-60 entran en la segunda categoría, pues la
numeración que acompañan a dichas siglas indica el peso promedio en
kilogramos por metro lineal.
2.2.6 Fabricación.
Los rieles son fabricados mediante una serie de operaciones de cierta
complejidad y que requieren de atención y cuidado, pues una adecuada
realización es determinante en la calidad del producto. Básicamente el proceso
se divide en tres etapas: fabricación del acero, conformado del riel mediante
laminación y el acabado que incluye cortes y refrentados en los extremos. En
12
algunos casos, los rieles son sometidos a tratamientos térmicos para mejorar las
características del mismo.
2.2.6.1 Fabricación del acero.
El acero se fabrica mediante diversos procesos tales como: Bessemer, Siemens-
Martin, Convertidor de oxígeno (Linz-Donawitz) y de Arco Eléctrico, siendo
los dos últimos los más aceptados y utilizados en la actualidad. El método de
arco eléctrico a pesar de obtener aceros de excelente calidad tiene algunas
limitaciones tales como el elevado consumo eléctrico que requiere y la
producción a baja escala, lo cual eleva el costo de la fabricación en
comparación con otros métodos.
El método de convertidor de oxígeno o LD es el más utilizado para la
fabricación de rieles, pues resulta más económico y además acelera el proceso
de conversión del arrabio en acero debido a la introducción de oxígeno puro en
vez de aire (empleado en el método de Bessemer). El proceso LD consiste en
una olla de acero recubierta en su interior con material refractario. Por la parte
superior se inyecta, mediante una lanza refrigerada por agua, oxígeno con un
98% de pureza y polvo de piedra caliza con el objetivo de convertir el arrabio
en acero, ya que se produce un estado de oxidación mediante el cual el oxigeno
reacciona con el carbono eliminándolo en forma de dióxido o monóxido de
carbono, mientras que la caliza elimina las impurezas como el fósforo.
Figura 2.3 Esquema del Proceso LD [4]
13
2.2.7.2 Colada y Laminación
Para el proceso de laminado (figura 2.4) se deben disponer de porciones de
acero sólido. Estas porciones llamadas lingotes se obtienen del colado del metal
fundido y de su posterior enfriamiento.
Una vez obtenido el acero de forma sólida se procede a la conformación del
riel. Para realizar esto, se introducen los lingotes, previamente calentados a una
temperatura adecuada, en el tren desbastador también denominado “Blooming”,
transformándolos en barras de acero de cierta longitud y de sección transversal
cuadrada. Estas barras son cortadas en trozos denominados tochos, los cuales
son introducidos en trenes de laminación, adelgazadores, perfiladores y
acabadores, para darle forma final al riel. De cada tocho generalmente se
obtienen 60 metros de riel.
Figura 2.4 Esquema del proceso de Laminación [3]
2.2.6.3 Acabado
Finalizado el proceso de laminación, el riel es cortado de acuerdo a la longitud
de producción, que generalmente son 12 metros. Cabe destacar que el corte
tiene que ser un poco mayor a este valor, que luego serán corregidos mediante
un proceso de refrentado. Luego del corte se procede al despunte de los bordes
del riel, para luego ser transportados a la zona de enfriamiento. Posteriormente
14
se pasa el riel, por rodillos para enderezarlos. Seguidamente se procede a una
inspección por ultrasonido para descartar cualquier defecto interno producto del
proceso de fabricación y además se realiza una inspección visual para descartar
defectos superficiales y para verificar la geometría del riel. Finalmente se
fresan los extremos para obtener la longitud exacta y se procede al taladrado en
el alma para que el riel pueda ser unido mediante eclisas.
Figura 2.5 Esquema de Fabricación del riel. [3]
15
2.2.7 Unión de rieles
De acuerdo a lo mencionado anteriormente, los rieles son fabricados con una
cierta longitud estandarizada. Éstos son transportados al sitio de instalación y
son juntados mediante diversas técnicas.
En primer lugar se procede a fijar y cuadrar los rieles mediante una unión no
permanente para luego realizar una junta definitiva mediante diversos métodos
tales como soldadura por arco eléctrico, oxiacetilénica y Aluminotérmica. La
última es la más aceptada y empleada a nivel mundial, en particular en
Venezuela.
2.2.8 Soldadura Aluminotérmica
Se basa en la propiedad que tiene el aluminio de formar termita al combinarse
de manera muy rápida con el oxígeno del óxido férrico formando óxido de
aluminio, liberando de esta manera el hierro y calor. La reacción viene dada
por:
Esta es una reacción altamente exotérmica, es decir, desprende una gran
cantidad de calor. Logra alcanzar temperaturas de hasta 3000 °C, requiriendo de
aproximadamente 1000 °C para iniciarse.
El procedimiento consta de una serie de operaciones que se describen a
continuación:
1. Preparación
Primeramente se mide la separación entre rieles mediante una regla graduada
en forma de cuña, la distancia óptima debe ser 15 milímetros. Luego de esto, se
procede a la alineación horizontal y vertical de los rieles.
16
Figura 2.6 Medición de la cala. [3]
Alineación del riel en sentido horizontal: se realiza mediante una regla
metálica de un metro de largo. Se comprueba la separación colocando la
regla a ambos lados de la cala (separación entre rieles).
Alineación vertical: se realiza colocando la regla sobre la superficie de
rodadura del riel, además hay que tomar en cuenta que los rieles debe ser
ajustados con cierta inclinación en los extremos a soldar, esto con el
objetivo de contrarrestar la disminución debida a la contracción de la
soldadura, evitándose de esta manera uniones soldadas bajas o cóncavas.
Figura 2.7 Alineación [5]
2. Colocación del molde y proceso de Colada
El molde está fabricado básicamente con arena refractaria. Se fabrican dos
semimoldes los cuales son instalados uno frente al otro mediante una prensa.
Precalentamiento: consiste en elevar la temperatura de los extremos del
riel hasta aproximadamente 900 °C, visualmente detectable ya que el
metal adquiere un color rojo cereza claro. Se hace por medio de un
17
quemador compuesto por gasolina y aire o propano y oxígeno el cual
proyecta una llama sobre el molde.
Colada: una vez comprobado que los extremos del riel estén a la
temperatura deseada, se procede a mezclar los componentes de la carga
de soldadura y verterlos en el crisol. Luego de esto, se procede a echar
cierta cantidad de pólvora para proporcionar un buen encendido.
Seguidamente se inicia la reacción de la carga mediante un fósforo
especial y se coloca el crisol encima del orificio del molde. Finalizada la
reacción se esperan aproximadamente 10 segundos y se procede a
destapar la parte inferior del crisol de manera tal que la colada fluya
dentro del molde y se produzca la fusión entre los rieles.
Figura 2.8 Molde [5]
3. Desmoldeo y rebarbado
Aproximadamente 5 minutos después del fin de la colada, se retiran los moldes
con mucho cuidado y se limpian los residuos con un cepillado metálico y se
procede al rebarbado mediante un martillo.
4. Esmerilado
Finalmente se realiza el esmerilado de la cabeza de la unión soldada para darle
continuidad al riel.
18
2.2.8.1 Ventajas
La soldadura aluminotérmica tiene una serie de ventajas las cuales podemos
citar a continuación:
Puede realizarse en el lugar de instalación de forma sencilla y eficaz.
No requiere de fuentes de energía externas de gran relevancia, esto
implica una reducción en el consumo energético.
Requiere un equipamiento mínimo para llevar a cabo el proceso.
Estás ventajas hacen de este proceso el más adecuado para trabajos de
mantenimiento.
2.3 Discontinuidades y Defectos
En los materiales se puede hablar de discontinuidades y defectos. Se define
discontinuidad como cualquier pérdida de homogeneidad en un material o
componente, mientras que un defecto es una discontinuidad que por su tamaño,
ubicación y orientación compromete el funcionamiento del mismo, en otras
palabras es una discontinuidad inaceptable de acuerdo a criterios de aceptación
y rechazo establecidos por una norma.
2.3.1 Tipos de discontinuidades
Las discontinuidades se pueden producir en cualquier momento de la vida de
una pieza. En base a esto, las discontinuidades se pueden dividir en:
1. Discontinuidades inherentes: son todas aquellas discontinuidades
formadas durante el proceso de fundición.
2. Discontinuidades de proceso: son todas aquellas discontinuidades
producto de un proceso de fabricación o acabado.
3. Discontinuidades de servicio: son todas aquellas discontinuidades
producto del uso del componente.
19
A continuación se describirán las discontinuidades más comunes encontradas
en el proceso de elaboración de lingotes de acero y del proceso de laminación,
operaciones necesarias para la fabricación de rieles.
a. Discontinuidades inherentes a la producción de acero
El proceso de fabricación de los aceros puede dar lugar a la presencia de las
siguientes discontinuidades:
Inclusiones no metálicas: es debida a la presencia de escorias que pueden
quedar atrapadas en el metal fundido durante el proceso de solidificación.
Inclusiones gaseosas: son burbujas de gas que son insolubles en el metal
fundido y que quedan atrapadas durante el proceso de solidificación. Esto
ocurre debido a una desgasificación inadecuada durante el proceso.
Rechupes: puede ser primario o secundario, se dice que es primario
debido a un insuficiente despunte del lingote lo cual da origen a fisuras en
un extremo del mismo, y se dice que es secundario cuando hay una
excesiva rapidez en la colada y el desmoldeo, produciéndose cavidades o
grietas en el centro de la pieza. Para evitar esto las lingoteras se diseñan
de tal manera que la parte superior llamada mazarota absorba toda la
contracción producto de la solidificación.
Segregación central o normal: es la diferencia que existe en la
composición química de un material en su superficie y su centro, o en
otras palabras es la distribución no uniforme de las impurezas, siendo el
centro la zona más afectada. Se debe normalmente a un despunte
insuficiente o falta de cuidado en la colada lo cual puede dar como
resultado la presencia excesiva de impurezas como fósforo y azufre que
empeoran las propiedades del acero. Este tipo de discontinuidades suelen
persistir luego de tratamientos térmicos.
20
Segregación inversa: da lugar a una zona central descarburada con poco
contenido en azufre y fósforo, rodeada de una zona muy impura y
carburada. Esto puede dar origen a fisuras.
Figura 2.9 Formación de rechupes. [6]
b. Discontinuidades producto del proceso de laminación de lingotes de
acero
Cuando un lingote es aplanado mediante este proceso, las discontinuidades
provenientes de la colada pueden cambiar de forma y tamaño. Por este motivo,
las inclusiones sólidas, gaseosas y porosidades pueden ser el origen de estas
discontinuidades largas y delgadas denominadas cordones.
Figura 2.10 Formación de cordones [6]
21
2.3.2 Caracterización de las discontinuidades
Las discontinuidades pueden caracterizarse según su forma, en este sentido una
discontinuidad puede ser planar o volumétrica. Se dice que es planar si el
ancho de la misma es tres veces su altura, de no cumplir esto, la discontinuidad
es considerada volumétrica. Ejemplos de discontinuidades planares son:
Grietas, Laminaciones, falta de fusión en soldadura. Por otro lado las
inclusiones solidas y gaseosas, cavidades y porosidades son consideradas
volumétricas.
2.3.3 Defectología en rieles
En los rieles, existen diversos motivos por los cuales se originan defectos, entre
ellos tenemos:
Discontinuidades generadas durante el proceso de fabricación, tales
como: inclusiones no metálicas, burbujas de hidrógeno, porosidades,
cordones de laminación, segregación, entre otros.
Esfuerzos residuales inducidos durante el proceso de manufactura
(enfriado, laminado, enderezado).
Discontinuidades asociadas a una mala manipulación del riel:
deformación plástica, abolladuras.
Discontinuidades asociadas a una aplicación incorrecta de la soldadura:
inclusiones, porosidades, falta de fusión.
Esfuerzos dinámicos causados por las cargas provenientes del material
rodante.
Las causas antes mencionadas dan origen a una serie de discontinuidades las
cuales se describirán a continuación:
Grieta Horizontal en la cabeza: generalmente se forman paralelas a la
superficie de rodadura de riel a una profundidad de 10 a 20 milímetros.
22
Inclusiones no metálicas y anormales esfuerzos verticales son los
responsables de estas grietas.
Grieta vertical longitudinal en la cabeza: esta grieta se forma paralela
al eje longitudinal del riel. Sus causas más comunes son las inclusiones
no metálicas, mantenimiento deficiente y altos esfuerzos dinámicos. Es
una grieta difícil de detectar.
Grieta horizontal en la unión cabeza-alma: puede ocasionar la rotura y
separación de la cabeza del riel. Generalmente se deben a la presencia de
grandes esfuerzos residuales en la pieza.
Grieta horizontal en la unión patín-alma: Es producto de altos
esfuerzos dinámicos y a la presencia de grandes esfuerzos residuales
generados durante el proceso de enderezamiento del riel. Cabe destacar
que la unión alma-cabeza y alma-patín son concentradores de esfuerzos.
Estos defectos son fácilmente detectables.
Grieta vertical longitudinal en el alma: Se da en el eje longitudinal del
riel. Su aparición es debida a la acumulación de inclusiones no metálicas
y al fenómeno de segregación. Es detectable sólo si el defecto es grave y
si se encuentra en un estado avanzado.
Grieta en los agujeros para colocación de pernos: esta grieta
generalmente se expanden en sentido diagonal, la misma puede dirigirse a
la cabeza o al patín del riel. Sus causas son mantenimiento inadecuado y
concentración de esfuerzos.
Grieta transversal en la cabeza del riel: Se origina con cierto grado de
inclinación (entre 18 y 23°) a una profundidad de 15 a 20 milímetros por
debajo de la superficie de rodadura. Generalmente se debe a inclusiones
no metálicas y acumulación de hidrógeno en el metal.
Grieta transversal en el patín del riel: generalmente se forma en la
parte central del patín. Su aparición es debida al sobrecalentamiento
producto de la soldadura y a la segregación inversa lo cual produce que
esta zona sea bastante frágil.
23
Además de las discontinuidades mencionadas anteriormente, existen otros
defectos relacionados con la geometría de la vía tales como desalineaciones
verticales y horizontales entre dos rieles consecutivos.
2.3.4 Defectología en Soldadura Aluminotérmica en rieles
Los defectos en la soldadura aluminotérmica tienen su origen en la mala
preparación, falta de cuidado e inexperiencia por parte del operador. Los
defectos más comunes encontrados en este tipo de soldadura son:
Falta de fusión del riel: ocurre cuando una parte del riel no es fundida
por la soldadura. Se debe principalmente a un precalentamiento
insuficiente, a una cala inadecuada o a una mala colocación del molde.
Figura 2.11 Falta de penetración en el patín [7]
Falta de metal en la cabeza: es debida a una cala excesivamente
grande o fugas del metal fundido, producto de un mal sellado del
molde.
Inclusiones de escoria: generalmente es debida a una falta de limpieza
del crisol y a un precalentamiento inadecuado.
Inclusiones de arena: estos defectos son debidos a la colocación
inadecuada de los moldes y a un precalentamiento excesivo, lo cual
origina la inclusión de arena en el metal fundido.
24
Porosidades: las porosidades se sitúan principalmente en el interior de
la soldadura. Cuando un gran número de poros están presentes en la
soldadura, la resistencia de la misma disminuye considerablemente.
Moldes mojados o contaminados, materiales húmedos empleados para
la soldadura, un precalentamiento inadecuado y realizar la soldadura
bajo lluvia son las principales causas de la presencia de porosidades.
Figura 2.12 Porosidades [7]
Prevenir estos defectos es de gran importancia pues reducen significativamente
los costos de reparaciones además de que reducen la incidencia de fallas en la
vía, lo cual incrementa la seguridad del sistema y de los usuarios. Para evitar
estos inconvenientes se requiere proporcionar un buen adiestramiento a los
operadores encargados de realizar el proceso de soldadura.
2.4 Control de la calidad de los rieles.
La inversión necesaria para la adquisición de rieles es realmente significativa,
por este motivo es imprescindible realizar una inspección detallada (tanto antes
como después de la instalación) de las vías, para garantizar la seguridad de la
infraestructura, pero sobretodo de los usuarios, ya que con esto se podrían
evitar descarrilamientos de trenes producto de fallas en los rieles Para llevar a
cabo esta inspección, se debe utilizar una técnica que arroje datos confiables y
25
que además no perjudique la pieza, para tal propósito se hace uso de los
ensayos no destructivos.
2.5 Ensayos no destructivos (END)
Los ensayos no destructivos, son ensayos que tienen como propósito principal,
detectar y caracterizar discontinuidades superficiales e internas en materiales,
soldaduras, componentes y partes fabricadas, sin comprometer o afectar la
aptitud de la pieza para el servicio, es decir, sin causarle daños.
Hoy en día existen diversos métodos de ensayo no destructivos, que hacen
posible determinar la presencia, localización, orientación y naturaleza de
discontinuidades que puedan afectar el funcionamiento de piezas y partes
nuevas o ya en servicio. Entre los métodos de ensayo no destructivos, se
encuentran los denominados métodos básicos, como lo son: Líquidos
Penetrantes (PT), Radiografía o Gammagrafía (RT), Partículas Magnéticas
(MT), Ultrasonido (UT) e Inspección Visual (VT), así como otros métodos más
específicos, como lo son: Emisión Acústica (AE), Termografía Infrarroja (TT),
Análisis de Esfuerzo (ST), etc. En los apéndices 2 y 3, se muestran las
principales características de algunos de los métodos utilizados en los END.
Los materiales que se pueden inspeccionar son los más diversos, entre
metálicos y no metálicos, normalmente utilizados en procesos de fabricación,
tales como: laminados, fundidos, forjados y otras conformaciones.
Los ensayos son realizados bajo procedimientos escritos, que atienden a los
requisitos de las principales normas o códigos de fabricación, pautados por las
organizaciones competentes, tales como, la Comisión Venezolana de Normas
Industriales (COVENIN), la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos
(ASME), la Organización Internacional de Normas (ISO), la Sociedad
Americana para Ensayos y Materiales (ASTM), Instituto Americano de
26
Petróleo(API), la Sociedad Americana de Soldadura (AWS) y el Instituto
Alemán de Normalización (DIN), entre otros.
2.5.1 Objetivos de los END
Detectar discontinuidades en materiales y estructuras sin destrucción de
los mismos.
Determinar la ubicación, orientación, tamaño y tipo de las
discontinuidades.
Establecer la calidad del material basándose en el estudio de los
resultados y en la severidad de las discontinuidades y/o defectos de
acuerdo a las normas de calidad y los objetivos del diseño. [8]
2.5.2 Capacitación, calificación y certificación
La efectividad de las técnicas para una inspección no destructiva depende en
gran parte, de la capacidad del personal que las aplica. Por esto existen normas
y documentos que estipulan los procedimientos y criterios que garantizan la
capacitación, calificación y certificación del personal en las técnicas de
inspección.
Algunas guías o normas en las que se detallan los criterios y procedimientos de
capacitación, calificación, y certificación son:
a) Práctica recomendada, No SNT-TC-1A, de la Sociedad Americana de
Ensayos no Destructivos (ASNT), Capítulo 2, “Nondestructive Testing
Personnel Qualification and Certification”.
b) Norma No DP ISO 9712-3, “Norma para la capacitación, calificación
y certificación de personal que realiza END”, elaborada por el Organismo
Internacional de Normalización (ISO).
En esos documentos se definen los conceptos de capacitación o entrenamiento,
calificación y certificación; los cuales son importantes para el personal técnico
27
que realiza algún tipo de inspección no destructiva. A continuación se definen
estos conceptos:
Entrenamiento
Es el programa debidamente estructurado para proporcionar los conocimientos
teóricos, y desarrollar las habilidades prácticas de un individuo para una
actividad definida de inspección. En una organización, estos programas pueden
ser establecidos por alguna otra empresa que se contrate para ello, o realizarse
en forma interna si cuenta con personal capacitado para los cursos o si se
contrata personal externo con capacidad para impartirlos.
Calificación
Es la demostración objetiva, mediante exámenes teóricos y prácticos de que un
individuo posee los conocimientos teóricos y las habilidades necesarias para
desarrollar correctamente una técnica de inspección no destructiva, evaluar las
indicaciones obtenidas, aplicar correctamente criterios de aceptación y elaborar
reportes de inspección. Estos exámenes se aplican y califican por personal
certificado como el nivel III, que es el más alto de certificación (ver niveles de
certificación). Adicionalmente, para aplicar un examen es necesario que la
institución o entidad responsable cumpla con los requisitos en la guía SNT-TC-
1A.
Certificación
Es el testimonio escrito que extiende una empresa contratante o una agencia
central certificadora que demuestra que un individuo ha sido debidamente
capacitado y está calificado para emplear un método de IND. Para que una
empresa contratante pueda certificar necesita tener definida su política, los
procedimientos de evaluación y certificación, y cumplir con todo lo establecido
en la práctica recomendada SNT-TC-1A; de igual forma, una agencia central
certificadora debe apegarse a los requisitos de la norma ISO 9712. La
certificación emitida por cualquier empresa contratante o agencia central
28
certificadora es válida para los niveles I y II. Para certificar un nivel III es
necesario que la empresa u organismo tenga adicionalmente a los requisitos de
la normatividad, un reconocimiento internacional en el ámbito de las IND.
2.5.3.1 Niveles de certificación
Dentro del campo de los END, se definen en forma general tres niveles de
certificación para los inspectores. Estos niveles se dan de manera independiente
para cada método o técnica END.
Nivel I
Es el que se obtiene cuando se ha cumplido con el entrenamiento básico, y se
han cubierto los requisitos establecidos en la guía SNT-TC-1ª, emitida por la
ASNT (Sociedad Americana para ensayos no destructivos). Tener un nivel I
significa que se está capacitado y calificado para calibrar correctamente un
equipo de inspección, realizar una inspección específica, aplicar los criterios de
aceptación o rechazo definidos en un procedimiento o instrucción de
inspección, y reportar o realizar los registros de estas actividades. El inspector
nivel I debe ser entrenado y supervisado por personal certificado y calificado de
nivel II.
Nivel II
Es el nivel en el cual se está capacitado y calificado para efectuar correctamente
las actividades mencionadas para un nivel I, y además puede avalar y realizar la
calibración de un equipo de prueba, interpretar y evaluar los resultados
conforme a un código, norma o especificación aplicable. El personal con este
nivel debe estar familiarizado con los alcances y limitaciones de su técnica, y
ser responsable de la capacitación práctica y supervisión de inspectores nivel I.
Un nivel II se considera capacitado para procedimientos de inspección y
organización, así como emitir reportes de los resultados durante las
inspecciones.
29
Nivel III
Además de cumplir con los requisitos de los niveles I y II, debe ser capaz de
establecer técnicas y procedimientos, interpretar códigos, normas y
especificaciones, así como de seleccionar el método y la técnica de inspección.
El personal con nivel III es responsable de las actividades END para las cuales
está calificado. Además contar con suficientes conocimientos sobre procesos de
manufactura y tecnología de materiales para establecer criterios de aceptación
cuando así se requiera. El personal que se ubique en este nivel, además de
conocer otras técnicas IND está capacitado para entrenar y certificar a personal
nivel I y II. [9]
2.6 Método de Inspección Visual
La inspección visual es un método de ensayo no destructivo versátil y de bajo
costo, en la cual el instrumento principal es el ojo humano, que puede
complementarse con instrumentos de magnificación, iluminación y medición.
Los resultados de la inspección dependen de la experiencia del inspector y de
los conocimientos que tenga respecto al proceso de fabricación, los materiales y
demás aspectos que puedan influir en las discontinuidades comunes presentes
en la pieza bajo ensayo.
Algunas normas como la ASME y la AWS, exigen la calificación y
certificación del personal que realiza la prueba de inspección visual, donde se
toman en cuenta las horas de experiencia del individuo a certificar y la agudeza
visual (corregida o natural).
Según los instrumentos que se utilicen como ayuda a la visión, y a la distancia
(o al acceso) que se tenga entre el inspector y la pieza de estudio, la inspección
visual puede clasificarse en tres técnicas, inspección visual directa, remota y
traslucida.
30
2.6.1 Tipos de inspección visual
Inspección Visual Directa
Se utiliza cuando el acceso a la pieza permite realizar la inspección a una
distancia no mayor a 60 centímetros de la superficie y con un ángulo no menor
a 30º respecto a la superficie a ser examinada. Pueden emplearse espejos para
mejorar el ángulo de visión e instrumentos auxiliares como lentes de aumento
para asistir la inspección. Para la inspección se requiere iluminación (natural o
artificial con luz blanca) para la parte, componente, recipiente o sección
específica a ser inspeccionada, la mayoría de las normas establecen una
intensidad mínima debe ser 1000 lux. [10]
Inspección Visual Remota
En algunos casos la inspección directa es sustituida por la inspección visual
remota. La inspección remota puede utilizar ayuda visual tal como espejos,
telescopios, boroscopios, fibras ópticas, cámaras u otros instrumentos
adecuados. Tales sistemas deben tener una capacidad de resolución al menos
equivalente a la obtenida por observación directa. [10]
Inspección Visual Traslucida
La inspección visual traslucida es un complemento a la inspección visual
directa. El método de inspección traslucido utiliza la ayuda de iluminación
artificial, la cual puede estar contenida en una fuente de luz que produzca
iluminación direccional. [10]
2.6.2 Herramientas para la inspección visual [8]
Lentes de aumento o lupas; normalmente tienen aumentos de 5X y de
10X, como máximo para los estudios llamados macroscópicos. Sus
ventajas son tener un costo bajo y que abarcan una amplia área de
inspección.
31
Sistemas de interferencia cromática o con luz polarizada; consisten en
emplear luz polarizada sobre una superficie reflejante y por medio de
los patrones cromáticos formados son determinadas las zonas con
discontinuidades, como el caso de la inspección de porcelanas o
recubrimientos vidriados.
Endoscopios (Boroscopios); este sistema ha sido ampliamente difundido
en las nuevas técnicas de inspección visual, principalmente porque
permiten la observación del interior de una parte o componentes sin
desarmar el equipo. [10]
2.6.3 Ventajas y desventajas del método de inspección visual
Ventajas
- Es totalmente portátil.
- Es un método de muy bajo costo.
- Es de inmediata interpretación.
- Requiere poco entrenamiento.
- En si misma, no requiere equipo de seguridad.
- Se utiliza en inspecciones globales; necesita poco tiempo en la
mayoría de los casos. [9]
Desventajas
- Sólo puede detectar defectos superficiales.
- La superficie de inspección debe estar limpia.
- Debe haber acceso visual.
- La iluminación debe ser consistente con el método de inspección y
el tipo de defectos que se pueden observar.
- Depende fuertemente de la agudeza visual del inspector.
- Susceptible a factores humanos (capacidad, experiencia, estado de
ánimo).
32
- Respecto a otros métodos, tiene una probabilidad de detección muy
pequeña que disminuye con el tamaño del defecto. [9]
2.7 Método de Ensayo por Ultrasonido
El método de ultrasonido, es un método de ensayo no destructivo que utiliza
energía sónica de alta frecuencia a través de un espécimen para detectar y
evaluar discontinuidades presentes en el mismo, así como, determinar sus
dimensiones y caracterizar el material, entre otras aplicaciones.
Gracias a sus características básicas, el ensayo de ultrasonido puede ser
utilizado en el examen de productos metálicos y no metálicos, tales como:
soldaduras, forjas, fundiciones, planchas, laminados, tubos, plásticos,
cerámicas, etc.
2.7.1 Antecedentes
A través del tiempo el sonido siempre ha representado una forma de evaluar la
robustez y la calidad de materiales, golpeando las piezas mediante algún
instrumento romo o desafilado, y escuchando las diferencias de tono, las cuales
indican la presencia de discontinuidades.
Sin embargo, fue sólo en la década de los 30 cuando se hizo posible utilizar la
energía ultrasónica como END. En un primer momento sólo se podían detectar
discontinuidades de grandes tamaños y para ello era necesario que tanto la
superficie superior como la inferior de la pieza a ensayar fueran accesibles, lo
cual representaba una gran limitación. No fue sino hasta mediados del año
1940, cuando Floyd A. Firestone de la Universidad de Michigan, inventó un
instrumento que utilizaba pulsos de energía ultrasónica para obtener reflexiones
de discontinuidades diminutas, teniendo acceso a una sola superficie.
En los últimos años, los avances en la instrumentación y la tecnología
electrónica, han proporcionado las herramientas necesarias para el desarrollo
33
del método ultrasónico, haciendo del mismo un instrumento confiable y rápido
de aseguramiento y control de calidad.
2.7.2 Objetivo del ensayo y aplicación Industrial
El principal objetivo del ensayo por ultrasonido es evaluar la calidad de un
material, pieza o espécimen, sin dañar su estructura, por tal motivo es empleado
en el control de calidad en materiales, procesos de manufactura y el
mantenimiento de instalaciones o sistemas cuyas fallas pueden provocar
pérdidas económicas y de vidas humanas. Algunas de las ramas de la industria
en las que se utiliza el ultrasonido como END, son: la industria automotriz, la
aviación y la industria aeroespacial, plantas generadoras, en la industria de la
construcción, procesos de manufactura, ingeniería nuclear e industria
petroquímica, entre otras.
2.7.3 Ventajas y Limitaciones del Ensayo por Ultrasonido
Ventajas
- Para la realización de ensayo es suficiente tener acceso a una
sola superficie de la pieza.
- Posee gran poder de penetración, por lo cual es posible ensayar
pieza de espesores considerables.
- No conlleva ningún peligro para el operario.
- Los equipos son portátiles.
- Su alta sensibilidad, permite detectar discontinuidades de poco
tamaño.
- Permite obtener respuestas con gran precisión en cuanto a la
posición y el tamaño de la discontinuidad.
- Es posible automatizar el ensayo, gracias a la rapidez de su
respuesta.
34
Limitaciones
- Dificultad para ensayar piezas de geometría desfavorable o
complicada, lo cual puede generar pérdidas totales o parciales de
las indicaciones de las discontinuidades o de la pared posterior.
- Dificultad para ensayar piezas de estructura interna desfavorable,
debido a la dispersión producida por los bordes de grano, lo cual
se traduce en pérdidas significativas de la señal ultrasónica.
- Requiere de operarios altamente calificados.
2.7.4 Funcionamiento
El equipo utilizado para la aplicación del ensayo por ultrasonido, es capaz de
generar, emitir y captar haces de ondas muy bien definidas sujetas a las leyes
de reflexión al encontrar en su trayectoria un cambio en las propiedades
elásticas del medio en el cual se propagan. Al ser captadas, son analizadas
según el objetivo del equipamiento y con la determinación del tiempo
transcurrido desde su emisión hasta su recepción, puede conocerse la distancia
recorrida, al ser la velocidad previamente establecida.
2.7.5 El Ultrasonido
Los ultrasonidos son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas
sónicas, diferenciándose de éstas en que su campo de frecuencia se encuentra
por encima de la zona audible (figura 2.13). Por los fenómenos que provocan en
su propagación a través de los sólidos, líquidos y gases han dado lugar a la
aparición de numerosas aplicaciones técnicas y científicas.
35
Figura 2.13 Rango de frecuencia del sonido
Las ondas ultrasónicas obedecen las mismas leyes básicas del movimiento
ondulatorio de las ondas sonoras de frecuencias más bajas, pero presentan las
siguientes ventajas:
Tienen longitudes de onda más cortas, lo cual significa que la
difracción o flexión en torno a un obstáculo se reduce en forma
correspondiente. Por ello es más fácil dirigir y enfocar un haz de
ultrasonido.
Pueden atravesar sin dificultad las paredes metálicas de tubos y
recipientes. Es decir, que el sistema de medición puede montarse
externamente (no invasivo).
Puede propagarse a través de tejido biológico lo cual lo hace idóneo
para aplicaciones médicas.
El silencio del ultrasonido se puede aprovechar en aplicaciones
militares.
2.7.5.1 Cualidades del sonido
Intensidad
Es la cualidad que permite clasificar los sonidos en fuertes o débiles y está
relacionada directamente con la magnitud física “Intensidad de la onda” que es
la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad
de tiempo. El sonido será más intenso, cuanto mayor sea la energía de vibración
de las partículas, se puede demostrar que dicha energía es proporcional al
36
cuadrado de la amplitud; por lo que la intensidad de una onda sonora depende
de la amplitud de la misma.
Tono
Es la cualidad del sonido que permite clasificar los sonidos en altos y graves, y
está relacionada directamente con la magnitud física “frecuencia”. Los sonidos
graves son los de frecuencia baja y los sonidos agudos son los de gran
frecuencia.
Timbre
Es la cualidad del sonido que permite distinguir un mismo tono, pero producido
por dos instrumentos diferentes. Esto indica que el timbre de un sonido depende
del medio que lo produzca.
2.7.5.2 Características de las ondas sonoras.
Cuando se habla de sonido, se habla de vibración, un movimiento hacia atrás y
hacia adelante, es decir, alternativo, el cual se produce infinidad de veces pero
de una forma ordenada. Como se muestra en la figura 2.14, cuando una
partícula parte de un punto “0” y se desplaza hasta una posición máxima “+”;
luego se devuelve al punto “0”, pero continua su movimiento hacia atrás y logra
otra posición de desplazamiento máximo “-”; y regresa al punto “0”, ha
realizado un ciclo.
Figura 2.14 Relación entre amplitud y longitud de onda
37
Periodo
El período “T”, es el tiempo que toma una partícula en realizar un ciclo
completo.
Frecuencia
La frecuencia se entiende como el número de veces que un fenómeno
(periódico) se repite a sí mismo por unidad de tiempo. En el caso de la onda, es
el número de oscilaciones de una partícula por unidad de tiempo. Dentro de una
misma onda, la frecuencia es la misma para todas las partículas y es idéntica a
la frecuencia del generador, la cual se puede elegir arbitrariamente. La unidad
del Sistema Internacional con que se mide es el Hertzio (Hz).
1 Hertzio = 1 Hz = 1 ciclo por segundo
El período y la frecuencia se encuentran relacionados por medio de la siguiente
fórmula:
ó
Donde:
T: Período.
f: Frecuencia.
Amplitud
La amplitud es el máximo desplazamiento que realiza la partícula sometida a
vibración, partiendo desde su posición “0”. Se denomina con la letra A.
Longitud de onda
Es la distancia perpendicular entre dos frentes de onda que tienen la misma
fase. Esta longitud es la misma que la recorrida por la onda en un ciclo
completo de vibración.
38
Se denomina con la letra griega lambda “λ” y se relaciona con la frecuencia y
con la velocidad del sonido de la siguiente manera:
λ
ó
Donde:
λ: Longitud de onda.
V: Velocidad del sonido.
f: Frecuencia.
2.7.5.3 Velocidad del sonido
La velocidad del sonido es característica de cada material y en general puede
considerarse constante para un material dado, para cualquier frecuencia y
cualquier longitud de onda. Sin embargo, en el caso de los gases y los líquidos,
dicha velocidad depende de la presión y de la temperatura. En el caso de
muchos materiales sólidos, especialmente en los metales, la influencia de la
temperatura y la presión se puede despreciar, por lo cual se toma la velocidad
acústica como una constante, siendo esto de gran utilidad en los ensayos por
ultrasonido.
La velocidad del sonido posee dos variantes:
2.7.5.3.1 Velocidad longitudinal del sonido
Es directamente proporcional a la densidad y al Módulo de Elasticidad del
medio e inversamente proporcional a la razón de Poisson.
2.7.5.3.2 Velocidad transversal del sonido
Al igual que la velocidad longitudinal, es diferente para cada medio, y es la raíz
cuadrada del producto del Módulo de Corte entre la densidad del material.
39
También puede obtenerse mediante la Razón de Poisson y el Módulo de
Elasticidad.
2.7.5.4 Presión Acústica
En los puntos de gran densidad de partículas, la presión es mayor que en las
zonas dilatadas. En el caso de las ondas planas y esféricas, la presión acústica y
la amplitud máxima de oscilación están relacionadas por: [11]
ó
Donde:
Z: Impedancia acústica
W: Frecuencia angular = 2πf
A: Área transversal
V: Velocidad acústica
2.7.5.5 Velocidad Instantánea de Vibración
Es la velocidad propia de la partícula, y cuando esta refería a su amplitud o
valor máximo, se designa con la letra “v”.
2.7.5.6 El Haz Ultrasónico
El haz ultrasónico no es de ancho constante a lo largo de toda su longitud, sino
que posee un ángulo de divergencia y su intensidad varia con la distancia, es
posible distinguir entonces tres zonas a lo largo del haz.
40
Figura 2.15 Representación simplificada del haz ultrasónico[11]
Zona Muerta
Su extensión es equivalente a la longitud de un pulso completo, es decir,
depende del tiempo de oscilación. La presencia de la zona muerta es debida a la
interferencia que produce la vibración de cristal.
Cualquier discontinuidad que se encuentre dentro del campo de zona muerta,
será imposible de detectar durante el tiempo de oscilación del cristal, ya que en
toda su profundidad la presión acústica del haz es nula.
Zona de Campo Cercano o Zona de Fresnel
El cristal del transductor ultrasónico está conformado en forma de mosaico, por
pequeños cristales que, al recibir el pulso eléctrico vibran en la misma dirección
pero ligeramente fuera de fase unos con otros, por tal motivo la vibración del
cristal no es uniforme, a su vez esto ocasiona que la vibración del material bajo
ensayo sea irregular. , dando como resultado una zona de interferencia,
conocida como campo cercano.
En esta zona se presentan fluctuaciones de la presión acústica y variaciones en
la intensidad, lo cual se ve representado por la presencia de los lóbulos laterales
o secundarios; cabe destacar que en el campo cercano es muy difícil detectar
discontinuidades, ya que las variaciones de la intensidad darán lugar a múltiples
41
indicaciones. Por otra parte debido a la presencia de los lóbulos laterales, el
diámetro del cristal se reduce, dicha reducción puede ser calculada mediante la
siguiente ecuación:
ó
Donde:
Def: Diámetro efectivo del cristal.
N: Longitud del campo cercano.
V: Velocidad acústica.
En la práctica, se hace uso de la siguiente consideración:
ó
Donde:
D: Diámetro nominal del cristal.
De esta forma se puede calcular la longitud del campo cercano, en función del
diámetro efectivo y la longitud de onda, a través de la siguiente ecuación:
Para palpadores de cristal circular:
λ ó
ò
ó
42
Para palpadores de cristal rectangular, cuya diferencia entre sus lados no supere
el 12 %:
ó
Donde:
Aef: La mitad de la longitud efectiva del lado más largo.
V: Velocidad acústica.
f: Frecuencia.
Figura 2.16 Geometría del haz para un palpador con divergencia angular de 15°[12]
Zona de Campo Lejano o Zona de Fraunhofer
En esta zona la intensidad del haz ultrasónico disminuye a medida que aumenta
la distancia del transductor. Por otro lado la amplitud de la reflexión disminuye
exponencialmente como resultado de la divergencia del haz y la atenuación del
mismo.
A diferencia del campo cercano, donde el haz ultrasónico se propaga en línea
recta, en éste la onda acústica se expande al aumentar la distancia desde el
43
emisor, esta divergencia es directamente proporcional al diámetro del cristal y a
la frecuencia
La divergencia del haz puede determinarse con la ecuación:
λ
ó
ò
ó
Donde:
: Ángulo de divergencia del haz.
V: Velocidad del sonido.
f : Frecuencia central del transductor.
D: Diámetro del cristal.
2.7.5.7 Atenuación de ondas ultrasónicas.
La energía de una onda ultrasónica no se mantiene constante durante su
recorrido, sino que parte de ella se va perdiendo por efecto de la naturaleza del
material y por ende el haz ultrasónico se debilita. Para los equipos de
presentación con pantalla osciloscópica (A-Scan), las variaciones de la presión
acústica por efectos de factores de atenuación, o lo que es lo mismo, el
coeficiente de atenuación del haz, puede ser medido directamente de la pantalla
mediante la altura de los ecos de indicación, como se indica a continuación:
ó
44
Donde:
: coeficiente de atenuación
Hn: Altura de eco.
Hn+1: Altura del eco siguiente.
Este fenómeno se debe a dos fenómenos conocidos como absorción y
dispersión.
Absorción
El fenómeno de absorción es debido al aumento de temperatura en el materia
por efecto de la vibración de las partículas al transmitirse la onda sonora, este
aumento de temperatura es originado por una porción de energía sonora que se
convierte en calor.
La absorción se traduce en un efecto de frenado en la vibración de las
partículas, el cual depende del medio y de la frecuencia, a mayor frecuencia
mayor generación de calor y por ende mayor frenado.
Cabe destacar que en el caso de los metales, la absorción no es el primer
causante de la atenuación.
Dispersión
En general los materiales presentan cierta heterogeneidad dentro de su
estructura, lo cual origina variaciones en la impedancia acústica del mismo y
con ello la posibilidad de obtener pequeños ecos que puedan generar problemas
al momento de identificar las discontinuidades reales.
Los factores que influencian en mayor grado el fenómeno de dispersión son el
tamaño de grano, la naturaleza del material y la frecuencia de las ondas. En este
sentido a mayor frecuencia y tamaño de grano, mayor dispersión.
45
2.7.5.8 Generación del Ultrasonido
Para lograr la aplicación del ultrasonido como método de ensayo no
destructivo, es necesaria la utilización de dispositivos que permitan la
generación y recepción de las señales ultrasónicas, estos dispositivos reciben el
nombre de palpadores.
Un palpador es capaz de convertir energía eléctrica en mecánica y energía
mecánica en eléctrica. Esta conversión es posible de lograr, a través de dos
fenómenos físicos, el efecto piezoeléctrico y el efecto magnetoestrictivo.
Efecto Piezoeléctrico
Un cristal piezoeléctrico es un material capaz de convertir deformaciones
mecánicas en cargas eléctricas. Este fenómeno fue descubierto en el año 1.880
por los esposos Pierre y Marie Curie. Luego en 1.881 Fritz Albert Lippman,
descubrió que los cristales piezoeléctricos poseían también la capacidad de
producir el efecto inverso, en otras palabras, los materiales piezoeléctricos son
capaces de convertir deformaciones mecánicas en cargas eléctricas y de
convertir cargas eléctricas en deformaciones mecánicas.
Tabla 2.3. Propiedades físicas de los materiales piezoeléctricos [12]
MATERIAL
DENSIDAD
(10-3
)
(Kg/cm3)
VELOCIDAD
ACÚSTICA
(cm/seg)
IMPEDANCIA
ACÚSTICA
(Kg/cm2.seg)
Cuarzo 2,65 57,60 152,64
Sulfato de Litio 2,06 47,20 97,23
Titanato de Bario 5,07 44,00 223,08
Metaniobato de Plomo 5,80 28,00 162,40
46
Efecto Magnetoestrictivo
El efecto magnetoestrictivo directo consiste en la orientación preferente de los
dominios magnéticos bajo la acción de un campo magnético externo, dicha
orientación provoca la deformación del material. El efecto magnetestrictivo
reciproco consiste en la generación de campos magnéticos debido a la
deformación de los materiales. [11]
El empleo de la magnetoestricción está limitado a la emisión y recepción,
aproximadamente de 100 KHz. [11]
2.7.6 Palpadores
Un palpador es un arreglo que permite la manipulación del transductor para la
realización del ensayo ultrasónico, entendiéndose por transductor, el elemento
encargado de transformar la energía eléctrica en mecánica y viceversa. Los
palpadores son de suma importancia en el sistema ultrasónico, ya que de ellos
dependerán en gran medida las características y cualidades del haz ultrasónico.
Existen distintos tipos de palpadores y la elección del mismo dependerá de la
técnica a emplear.
2.7.6.1 Partes del palpador
Carcasa: Sirve como blindaje y proporciona resistencia mecánica.
Cristal: Pequeña placa de material piezoeléctrico.
Electrodos: Placas conductoras de corriente eléctrica.
Placa protectora.
Material de respaldo: Proporciona soporte al cristal y funciona como
amortiguador mecánico y acústico.
47
Figura 2.17 Partes de un palpador de incidencia normal [11]
2.7.6.2 Tipos de palpadores
2.7.6.2.1 Según el tipo de contacto
- Palpadores de contacto directo
Se colocan directamente sobre la superficie de la pieza a ensayar, utilizando en
la mayoría de los casos un medio de acoplamiento.
- Palpadores para inmersión
La transmisión del ultrasonido desde el palpador hacia la pieza bajo ensayo, se
efectúa a través de una columna de líquido, sin que exista contacto directo,
presión ni rozamiento entre las superficies.
2.7.6.2.2 Según el ángulo de salida del haz ultrasónico
- Palpadores de incidencia normal
Este tipo de palpador emite ondas de tipo longitudinal. Es muy útil para medir
espesores y detectar discontinuidades, así como evaluar discontinuidades
paralelas a la superficie de contacto.
48
- Palpadores de incidencia angular
Este tipo de palpador consiste en un transductor de ondas longitudinales
colocado sobre una de las caras de un prisma de plástico, en su mayoría de
perspex, el cual posee un ángulo de incidencia correspondiente al ángulo de
penetración que se requiera para la inspección. El uso de los palpadores de tipo
angular se centra en la inspección de soldaduras, así como en la evaluación de
discontinuidades perpendiculares a la superficie de la pieza o que posean cierta
inclinación respecto a la misma.
2.7.6.2.3 Según el número de cristales
- Palpador de cristal único
Recibe este nombre, ya que consta de un sólo cristal piezoeléctrico, el cual
funciona como receptor y emisor de las ondas ultrasónicas.
- Palpador doble cristal
Consta de dos cristales, uno encargado de emitir las señales ultrasónicas y el
otro de recibirlas. Ambos cristales poseen cierto grado de inclinación dentro del
palpador, para lograr con esto un efecto focalizador y con ello mayor
sensibilidad. A su vez se colocan sobre una columna de plásticos para de esa
forma resolver los problemas que se presentan para la detección de
discontinuidades en la zona muerta.
2.7.6.2.4 Según la temperatura de ensayo
- Palpador para altas temperaturas
Son palpadores fabricados con materiales capaces de soportar temperaturas
elevadas de hasta 350º, para ellos se utiliza cuarzo o metaniobato de plomo
cuyos puntos de Curie están por encima de los 500º y como amortiguador
resinas de moldeo.
49
2.7.6.3 Características de los palpadores
Las características principales de los palpadores son:
Sensibilidad
Es la capacidad que posee el palpador para detectar discontinuidades del menor
tamaño posible, dicho tamaño es dado por el fabricante del palpador y es
conocido como “Tamaño critico de defecto”.
La sensibilidad es una característica propia de cada palpador y aún los
palpadores del mismo tamaño, frecuencia y materia, no siempre producen
señales idénticas. Se relaciona directamente con la eficiencia en la conversión
de energía eléctrica de las ondas ultrasónicas, cuanto mayor sea esta más alta es
la sensibilidad del palpador.
Resolución
Es la capacidad que tiene el palpador para diferenciar ecos provenientes de
discontinuidades cercanas y separar las señales en tiempo y profundidad.
2.7.6.4 Selección de palpadores
Para seleccionar el palpador a utilizar en un ensayo, se deben tomar en cuenta
los siguientes parámetros:
Material a ensayar.
Defectología típica de la pieza bajo ensayo.
Tamaño del transductor.
Frecuencia nominal del transductor.
Ancho de banda.
Tipo de onda emitida.
Número de cristales.
Tipo de conector.
50
Es importante señalar que para la realización de un ensayo generalmente será
necesario el uso de más de un palpador, para poder realizar una evaluación
detallada de la pieza.
2.7.7 Propagación de ondas
Según el sentido de vibración de las partículas respecto al sentido de avance de
la onda, se definen varios modos de propagación, como son: ondas
longitudinales, ondas transversales, ondas de Lamb y ondas de Rayleigh. A
continuación se describen las características de las ondas longitudinales y
transversales para efectos del trabajo.
2.7.7.1 Ondas longitudinales
En este tipo de ondas, las partículas de material vibran en el sentido de
propagación de la onda. También se les conoce como ondas de presión.
Su uso dentro de los ensayos por ultrasonido es el más común, ya que son el
tipo de onda más sencillo de generar y detectar y además pueden propagarse en
sólidos, líquidos y gases.
Figura 2.18 Esquema representativo de las ondas longitudinales o de compresión [9]
51
La velocidad acústica de una onda longitudinal viene dada por la siguiente
ecuación:
ó
Donde:
VL: Velocidad acústica de la onda longitudinal.
E: Modulo de elasticidad
µ: Razón de Poisson.
: Densidad del material.
2.7.7.2 Ondas transversales
Es este tipo de onda las partículas oscilan de forma perpendicular al sentido de
propagación de la onda. A diferencia de las ondas longitudinales no pueden
propagarse en gases ni en líquidos, ya que para poder viajar a través del
material necesitan que las partículas ofrezcan resistencia al deslizamiento
transversal, por lo tanto para efectos prácticos sólo pueden propagarse en
sólidos y en algunos casos en fluidos altamente viscosos.
Una ventaja de las ondas transversales respecto a las ondas longitudinales, es
que poseen una velocidad menor y con ello a su vez una longitud de onda
menor a una misma frecuencia, por lo cual poseen mayor sensibilidad para
detectar y evaluar discontinuidades pequeñas.
52
Figura 2.19 Representación esquemática de las ondas transversales o de corte [9]
La velocidad de una onda transversal puede calcularse mediante la siguiente
ecuación:
ó
Donde:
G: Modulo de corte.
Ρ: Densidad.
También se puede calcular a partir de la velocidad longitudinal como:
ó
2.7.8 Transferencia de energía de un medio a otro
Las ondas ultrasónicas necesitan de un medio para su transmisión y a su vez
pueden transmitirse de un medio a otro, de allí la posibilidad de utilizarlas para
END. Como es de esperarse, no toda la energía es transmitida, pues una porción
53
de la misma será reflejada por la presencia de superficies limites, esto quiere
decir que, la energía incidente sobre la superficie será la suma de la energía
reflejada más la energía transmitida.
2.7.8.1 Impedancia Acústica
Se entiende como la resistencia que opone un material a la vibración de sus
partículas, esto significa que entre mayor impedancia acústica tenga un
material, sus partículas vibraran mas lentamente y viceversa, para un mismo
cambio de presión acústica. La impedancia acústica puede ser calculada de la
siguiente forma:
ó
Donde:
Z: Impedancia acústica.
: Densidad del material.
V: Velocidad acústica.
Otra forma de calcularla es:
ó
Donde:
P: Presión acústica.
v: Velocidad instantánea de vibración.
2.7.8.2 Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies
limites
54
Todo medio posee superficies límites las cuales alteran la propagación de las
ondas. Si la superficie del material se encuentra libre, es decir, el material está
rodeado de vacío, la onda no puede transmitirse ya que la misma necesita de
partículas que hagan posible su propagación. En este caso la onda retorna, esto
puede ser mediante dos fenómenos, uno de reflexión si la superficie limite es
suave y uno de dispersión si al contrario es rugosa.
2.7.9 Incidencia Angular
El haz ultrasónico puede ser proyectado tanto transversalmente como
oblicuamente hacia la superficie límite entre dos materiales, de dicha
proyección dependerán los fenómenos que se produzcan.
Cuando el haz se proyecta de forma transversal sobre la pieza, lo que se conoce
como incidencia de haz normal, se da lugar a la transmisión y la reflexión (Ver
figura 2.20).
Figura 2.20 Diagrama ilustrativo de la transmisión y reflexión de un haz de incidencia normal [12]
Por otro lado, cuando el haz es proyectado de manera oblicua, tienen lugar los
fenómenos de reflexión y refracción (Ver figura 2.21), los cuales están
definidos por la Ley de Snell.
55
Figura 2.21 Representación gráfica de un haz con incidencia angular[12]
2.7.9.1 Ley de Snell[12]
La ley de Willebrord Snell of Leyden, también conocida como Ley de la
Óptica, se cumple en lo que respecta a la transmisión del sonido.
La ley de Snell establece que:
El seno del ángulo de incidencia es igual al seno del ángulo de
reflexión, osea:
o bien
Donde:
i : Ángulo de incidencia.
r : Ángulo de reflexión.
56
La relación entre los senos de los ángulos de incidencia y refracción, es
directamente proporcional a la relación entre las velocidades del sonido
de los medios en interfase, según la ecuación:
ó
Donde:
: Ángulo de refracción.
V1: Velocidad del sonido en el medio 1.
V2: Velocidad del sonido en el medio 2.
2.7.9.2 Modos de Conversión
Cuando el haz incide de manera angular sobre la pieza tienen lugar dos
fenómenos conocidos como reflexión y refracción, a su vez se producen
modificaciones en las características de las ondas, dichas variaciones son
conocidas como “modos de conversión”. Cuando un haz longitudinal incide de
forma angular en la superficie de una pieza, se generaran tres haces, un haz
longitudinal reflejado, un haz longitudinal refractado y un haz transversal
refractado.
Este fenómeno dificulta la realización del ensayo, ya que se obtendrán ecos
provenientes de dos ondas ultrasónicas, para solucionar este fenómeno se
recurren a los llamados “ángulos críticos”. Los ángulos críticos son dos valores
de ángulos que permiten establecer un intervalo dentro del cual se asegura la
incidencia de un solo haz ultrasónico sobre la pieza de ensayo. Para el primero
de ellos (Primer ángulo critico), se cumple que el ángulo de refracción del haz
longitudinal sea igual a 90ª, respecto al eje vertical; para el segundo ángulo
critico se cumple que el haz transversal se propaga sobre la superficie de la
pieza.
57
Figura 2.22 Modos de conversión [12]
Tabla 2.4 Primer y segundo ángulo crítico para ondas incidentes de compresión[9]
2.7.10 Factores que influyen en la transmisión del ultrasonido a través de
la superficie de exploración
Existen tres factores que influyen significativamente en la transmisión del
ultrasonido a través de la superficie a explorar:
Medio de acoplamiento
Para los ensayos mediante ultrasonido, se hace necesaria la colocación de
alguna sustancia entre el palpador y la superficie de la pieza bajo ensayo, para
asegurar una óptima transmisión del sonido, dicha sustancia es conocida con el
nombre de acoplante.
58
Existe una amplia variedad de materiales que pueden ser utilizados como
acoplantes, así como agua, glicerina, pulpa de papel, grasas a base de petróleo o
silicona, algunos aceites, mercurio y algunas gomas suaves (acoplantes secos),
entre otros.
Selección del acoplante
La selección del acoplante se ve afectado por una serie de factores que
responden a las condiciones del ensayo:
- Costo.
- Viscosidad.
- Disponibilidad.
- Adherencia a la superficie.
- Reacciones químicas posibles.
- Requerimientos de limpieza después del ensayo.
Si el acoplante es para ensayos con palpadores de contacto directo, a los
factores antes mencionados se le agregan los siguientes:
Temperatura superficial:
La viscosidad del acoplante se ve afectada al variar la temperatura de la
superficie a ensayar, por ello se debe tomar en cuenta al momento de la
elección para evitar que el cambio de viscosidad interfiera con la transmisión de
las ondas ultrasónicas.
Inclinación de la superficie:
El acoplante debe tener cierto grado de viscosidad para evitar que al ser
colocado sobre la superficie, este se derrame, por otro lado entre mayor sea la
rugosidad superficial de la pieza mayor debe ser la viscosidad del acoplante
empleado.
59
Condición superficial y acabado superficial
De acuerdo a la condición del acabado superficial de la pieza pueden
presentarse problemas en la transmisión de la presión acústica entre el palpador
y la pieza bajo ensayo, así como el aumento de la zona muerta, lo cual
disminuye la posibilidad de detectar discontinuidades cercanas a la superficie, a
su vez la presencia de valles y crestas origina cambios en la dirección del haz
ultrasónico, dando lugar a la generación ondas parásitas superficiales que
dificultan el ensayo.
Efecto de la frecuencia y el diámetro del cristal
La frecuencia y el diámetro del cristal influyen en gran medida sobre la
longitud del campo cercano, la divergencia del haz, la resolución, la
sensibilidad y el poder de penetración. Además influye también en la
transmisión del ultrasonido a través de la pieza bajo ensayo, de la siguiente
manera:
A menor frecuencia, mayor longitud de onda y por ende la rugosidad critica
será mayor, con lo cual disminuirá la posibilidad de que exista interferencia en
la transmisión de la presión acústica desde el palpador a la pieza, a su vez,
disminuirá la posibilidad de reflexión por los lóbulos laterales del haz en las
rugosidades de la superficie a explorar. Sin embargo, a menor frecuencia,
mayor divergencia del haz y con ello mayor riesgo de conversión de ondas,
debido a la incidencia angular de los rayos periféricos del haz. Estos efectos
adversos pueden compensarse de cierto modo, con el uso de palpadores de
mayor diámetro y de tipo doble cristal. En otras palabras, a mayor rugosidad
crítica, se recomienda disminuir la frecuencia siempre que se pueda tener la
sensibilidad y resolución requeridas para el ensayo, variando el diámetro del
cristal o empleando un palpador doble cristal si es necesario.
60
2.7.11 Técnicas de ensayo
2.7.11.1 Pulso- Eco
Esta técnica se basa en la transmisión de la energía ultrasónica en impulsos
cortos, los cuales se transmiten a la pieza de ensayo de tal forma que el tiempo
que tarda en ser reflejada la energía por la discontinuidad o la pared de fondo
permite determinar la distancia a la que se encuentra la misma.
En esta el impulso eléctrico procedente del generador, excita al transductor
emisor el cual emite el impulso acústico, que es transmitido a la muestra a
través del acoplamiento, este al encontrar un obstáculo en el recorrido se refleja
y vuelve al transductor receptor. El receptor genera un impulso eléctrico que se
aplica a las placas de deflexión vertical del TRC, dando lugar a la indicación
del eco.
Figura 2.23 Sistema de Pulso-Eco[12]
61
2.7.11.2 Resonancia
Es la técnica más antigua y en la actualidad se encuentra fuera de uso. Su
utilización se centró principalmente en la medición de espesores en piezas con
los dos lados paralelos y uniformes, aunque también permitía la detección de
discontinuidades ubicadas en el mismo plano de la superficie de examen.
Consiste en la transmisión de energía al material en forma continua, variando la
frecuencia hasta conseguir que la misma sea igual a la frecuencia de resonancia
del material.
Figura 2.24 Sistema de Resonancia[12]
2.7.11.3 Transmisión
En esta técnica se utilizan dos palpadores, uno que actúa como emisor y otro
como receptor, colocados a ambos lados de la pieza alineados coaxialmente,
dependiendo del estado del material en la zona ensayada la señal registrada por
el receptor variará, si la pieza está libre de discontinuidades la amplitud de la
señal será máxima y a medida que hayan discontinuidades la señal disminuirá.
62
Figura 2.25 Sistema de Transmisión[12]
2.7.12 Equipo básico de inspección por ultrasonido [12]
Los equipos e instrumentos ultrasónicos, básicamente están constituidos por
sistemas de generación, sincronización, amplificación de señal y barrido que, en
conjunto, hacen posible la detección de discontinuidades por emisión y
recepción de pulsos o señales ultrasónicas. En la figura 2.26, se presenta un
diagrama de bloques, donde se muestra la forma como se generan y detectan las
indicaciones ultrasónicas.
Figura 2.26 Diagrama de bloques de un instrumento ultrasónico [12]
63
2.7.12.1 Presentación de los datos
Las señales provenientes de los equipos ultrasónicos, pueden presentarse en
varios barridos (scans), o formatos que ofrecen distintas alternativas para la
interpretación de los resultados.
Existen tres tipos de barridos conocidos como Barrido A, Barrido B y Barrido
C, cuyas características se detallan a continuación.
Barrido-A (A-Scan): Es el más conocido y utilizado, consiste en la
presentación de la señal ultrasónica recibida como una función del
tiempo. Con este barrido, un defecto se puede localizar por la indicación
en el eje del tiempo que produce el reflejo de la onda sonora (Ver figura
2.27).
Figura 2.27 Respuestas típicas del sondeo, tipo A (A-Scan) para diferentes posiciones [9]
64
Barrido-B (B-Scan): Este barrido equivale a un corte transversal de la
pieza, en la cual se muestra el perfil del espesor comprendido entre la
superficie frontal y posterior, en este los defectos se manifiestan como
cambios en dicho perfil (Ver figura 2.28).
Figura 2.28 Respuesta típica del sondeo, tipo B (B-Scan) [9]
Barrido-C (C-Scan): En esta presentación, la magnitud del tiempo se
relaciona con una escala de colores, y los defectos se manifiestan por los
cambios en estos (Ver figura 2.29).
Figura2.29 Respuesta típicas del sondeo, tipo C (C-Scan) [9]
65
2.7.13 Interpretación de las señales en Barrido-A (A-Scan)
La altura de los ecos de indicación o “picos” representa la intensidad del haz
ultrasónico reflejado. Igualmente, la línea base de tiempo, como su mismo
nombre lo indica, proporciona el tiempo que tarda el haz ultrasónico en ser
reflejado, por lo que para un valor de velocidad conocido es posible calibrar la
pantalla en términos de distancia o profundidad de penetración. En otras
palabras, la línea base horizontal indica el tiempo o la distancia de recorrido,
mientras que verticalmente se observa la amplitud de la señal.
2.7.13.1 Relación señal ruido[13]
La relación señal ruido (SNR) de un transductor de ultrasonido es el nivel de
amplitud que separa la señal proveniente de un reflector con el ruido de fondo y
se calcula mediante la siguiente ecuación:
ñ
ó
Donde:
Hseñal: Amplitud de señal proveniente de un reflector.
Hruido: Amplitud promedio del ruido de fondo.
d: distancia de ubicación del reflector.
2.7.14 Calibración del equipo
Para realizar el ensayo por ultrasonido es necesaria una previa calibración del
equipo, la cual se realiza con dos propósitos de gran importancia para el ensayo,
el primero de ellos es determinar las características de operación tanto del
equipo ultrasónico como del palpador y de esta forma comprobar su correcto
funcionamiento, esto se realiza mediante el uso de bloques patrones con
medidas conocidas y el segundo propósito es obtener ecos y señales de
66
discontinuidades conocidas de bloques de referencia que permitan evaluar las
discontinuidades encontradas durante el ensayo mediante la comparación de
dichos ecos.
2.7.14.1 Bloque de calibración
Como se dijo anteriormente, en el ensayo por ultrasonido se evalúan las
discontinuidades de una pieza comparándolas con las de un patrón de
referencia, el uso de estos bloques permite verificar el buen funcionamiento del
conjunto (equipo-palpador) y fijar el nivel de sensibilidad necesario para
detectar discontinuidades de igual o mayor tamaño que las del bloque.
Algunas de las discontinuidades más comunes en los bloques patrones son:
agujeros de fondo plano, barrenos laterales y muescas. Las discontinuidades
artificiales son maquinadas con extremo cuidado para asegurar que las
dimensiones obtenidas sean las deseadas, dichas dimensiones se establecen
según el ensayo a realizar, de acuerdo a la defectología típica de la pieza a
ensayar.
En ocasiones es necesaria la realización de bloques de referencia a partir de la
pieza de ensayo, para ello se toma una muestra y se maquinan discontinuidades
conocidas, esto con el fin de obtener ecos más precisos.
Existen gran variedad de bloques patrones estandarizados, cuyas dimensiones
se encuentran establecidas por organizaciones relacionadas con la inspección de
materiales. Algunos de ellos son:
Seria Alcoa A- Bloques de Área/Amplitud.
Serie Alcoa B- Bloques de Distancia/Amplitud.
Bloques Básicos de ASTM- Distancia/Área/Amplitud.
Bloques IIW del Instituto Internacional de Soldadura.
67
La selección del bloque de calibración a emplear para la realización
determinado ensayo, debe estar basado en ciertos parámetros, tales como:
Configuración de la pieza a examinar.
Proceso de fabricación de la pieza.
Espesores a ser examinados.
Propagación del has ultrasónico.
Tamaño crítico del defecto.
Características metalúrgicas de la pieza.
2.8 Procedimiento de inspección [12]
Un procedimiento de inspección es un documento escrito que describe los
parámetros técnicos de inspección, requisitos de equipos y accesorios, así como
los criterios de aceptación y rechazo aplicables a una pieza, artículo o
componente, de acuerdo a códigos, normas o especificaciones.
2.8.1 Beneficios que aporta un procedimiento de inspección[12]
Homogeneizar las técnicas de inspección.
Homogeneizar el criterio de aceptación y rechazo.
Repetibilidad en los resultados.
Apego a códigos, normas y especificaciones.
Nivel constante en la calidad del material inspeccionado.
Evita discrepancias entre el fabricante y e comprador en la inspección
de recepción del material, cuando el comprador esta enterado y ha
autorizado el procedimiento para su aplicación.
2.8.2 Personal capacitado para la elaboración de un protocolo[12]
Preferiblemente el protocolo de inspección debe ser desarrollado y elaborado
por un técnico certificado nivel II o nivel III en el método aplicable.
68
A su vez el protocolo debe ser aprobado por un técnico certificado nivel III en
el método aplicable, en caso de que el mismo haya sido elaborado por un nivel
II.
2.8.3 Contenido del protocolo [12]
1. Objetivo: debe exponer para que sirve el protocolo.
2. Alcance: Debe incluir todo lo limitativo a materiales, formas y tamaño
de la(s) pieza(s).
3. Código, normas y documentos aplicables.
4. Requisitos y calificación del personal:
En quien recae la responsabilidad de:
Realizar la inspección.
Interpretar y evaluar los resultados.
Así como el método y nivel en el cual debe estar calificado el
personal que realiza las inspecciones.
5. Descripción de la pieza a inspeccionar:
Material.
Dimensiones.
Espesor o diámetro.
Proceso de fabricación.
Esquema de la pieza.
6. Equipos y materiales a utilizar:
Materiales para la limpieza.
Materiales para la inspección.
Equipo de ultrasonido.
Palpadores.
Bloque de referencia.
Acoplante.
7. Preparación de la superficie.
8. Técnicas de calibración:
69
9. Desarrollo de la inspección:
En qué zona y cómo se debe realizar la inspección.
Periodo de verificación de la calibración del equipo.
Condiciones de la inspección (Barrido).
10. Registro de indicaciones:
Tamaño, tipos de indicaciones y como se deben registrar.
11. Evaluación (Criterios de aceptación y rechazo):
Describir el estándar de aceptación.
12. Reportes de resultados:
Número de formato del reporte.
Indicar si se anexan documentos complementarios.
13. Anexos.
Graficas de calibración.
Dibujo del patrón de calibración.
Formato de reporte.
Croquis de los elementos inspeccionados.
70
CAPITULO III
MARCO METODOLÓGICO
Para cumplir con los objetivos planteados en este trabajo especial de
grado, se realizó inicialmente una amplia investigación bibliográfica sobre el
ultrasonido y su importancia dentro del campo de los ensayos no destructivos, a
su vez se profundizó en el tema de las vías férreas, siendo los rieles el principal
interés, para posteriormente, con base en el conocimiento teórico y práctico
obtenido, elaborar un protocolo de inspección para dichos rieles. A
continuación se explica la metodología desarrollada.
3.1 Selección de especímenes
Se seleccionó un total de cuatro especímenes de riel con perfil UIC-54, los
cuales fueron suministrados por la empresa Metro de Caracas C.A., y
actualmente pertenecen al LABES, dichos especímenes fueron previamente
utilizados para la realización del trabajo especial de grado del Br. Alejandro
Araujo, bajo la tutoría del Prof. Carlos González.
A continuación se describen los especímenes y se muestran las imágenes
correspondientes a cada uno de ellos.
Espécimen Nº 1
Cuenta con discontinuidades artificiales en el hongo, la unión hongo-
alma, el alma, la unión alma-patín y en el patín. En la figura 3.1, se
muestra su sección longitudinal, la ubicación de las discontinuidades
presentes en el mismo y sus respectivas medidas.
71
Figura 3.1 Foto y esquema del espécimen Nº 1
Espécimen Nº 2
Cuenta con discontinuidades en el hongo y en el alma. En la figura 3.2,
se muestra su sección longitudinal, la ubicación de las discontinuidades
presentes en el mismo y sus respectivas medidas.
Figura 3.2 Foto y esquema del espécimen Nº 2
G
72
Espécimen Nº3
Cuenta con la soldadura aluminotérmica a la cual, para efectos del
trabajo le fueron inducidas discontinuidades en el hongo y el patín. En
la figura 3.3 se muestra su sección longitudinal.
Figura 3.3 Espécimen Nº 3
Espécimen Nº4
Cuenta con discontinuidades naturales a lo largo de su longitud. En la
figura 3.4 se muestra su sección longitudinal.
Figura 3.4 Espécimen Nº 4
Grieta B Grieta A
Grieta C
73
3.2 Equipos e instrumentos utilizados
Taladro
Para el mecanizado del espécimen Nº 3, se empleó un taladro de
pedestal, de tipo radial, marca Ferm, modelo Fm-13, el cual se muestra
en la figura 3.5.
Figura 3.5 Taladro Ferm FM-13
Brocas
Para el proceso de taladrado se utilizaron dos brocas para acero de 3mm
de diámetro (Ver figura 3.6).
Figura 3.6 Brocas para acero (Ø 3mm)
74
Equipo de Ultrasonido
Para la realización de los ensayos se empleó un detector ultrasónico
marca Kautkramer Branson, modelo USN 50 (Ver figura 3.7), el cual es
un equipo pequeño y ligero con medición digital de espesor. En la
siguiente tabla se muestran sus características:
Tabla 3.1 Especificaciones técnicas USN 50, Fuente: Catalogo de productos Ashtead-Technology
Título Valor
Rango 5mm a 5000mm
Velocidad 1000m/s a 9999m/s
Retardo 10m a 1600m
Desplazamiento del cero 0 a 900m
Ganancia 110dB controlable en 0.5dB
Modo de ensayo Pulso eco/Transmisión
Frecuencia de repetición de pulsos 905mHz (máximo)
Rectificación Media onda positiva, media onda negativa y onda completa
Suprimir 0 a 80%
Amplificador de paso de bandas Banda ancha 3mHz a 12mHz
Unidades Pulgadas o milímetros
Puerta Controlable a lo largo de todo el rango de barrido
Temperatura de operación 0 a 55º
Peso 2,718 kg
Dimensiones 249x113.4x146mm
Pantalla 146mmx67mm
Figura 3.7 Equipo Ultrasónico USN 50
75
Palpadores
Se utilizaron un total de 6 palpadores para los distintos ensayos efectuados,
su frecuencia, diámetro, tipo y marca se muestran en la siguiente tabla.
Tabla 3.2. Palpadores utilizados, Elaboración propia
Figura 3.8. Palpadores utilizados
Nº Frecuencia
[mHz]
Diámetro
[mm]
Tipo Marca Cantidad
1 4 34 Normal, Doble
cristal (DC)
Kautkramer 1
2 2 18 Normal, Doble
cristal (DC)
Kautkramer 1
3 5 18 Normal, Cristal
único (CU)
Olympus 1
4 2,25 13 Normal, Cristal
único (CU)
Olympus 2
5 5 13 Normal, Cristal
único (CU)
Olympus 1
6 10 6 Normal, Cristal
único (CU)
Olympus 1
76
Zapatas
En el desarrollo de los ensayos con haz angular se emplearon cuatro zapatas
de distintos ángulos, cuyas características se indican a continuación en la
tabla 3.3.
Tabla 3.3 Zapatas utilizadas
Nº Ángulo Material Diámetro [mm] Marca
1 45º Plexiglás 18 Olympus
2 45º Plexiglás 13 Kautkamer
3 60º Plexiglás 18 Olympus
4 70º Plexiglás 18 Olympus
Figura 3.9 Zapatas Utilizadas
Cables y Adaptadores
Para conectar los distintos palpadores, se hizo uso de cables coaxiales y en
el caso de los palpadores doble cristal se utilizaron adaptadores que
permitiesen el uso de los cables disponibles, las especificaciones de ambos
se muestran en la tabla 3.4.
Tabla 3.4 Cables y Adaptadores Nº Nombre Descripción Cantidad
1 BNC-BNC Cable coaxial, con conexiones BNC por ambos lados 2
2 BCM-74-6 Cable coaxial, con conexiones BNC y Microdot 2
3 LM-BF Adaptador: conecta un cable LEMO 00 macho con un BNC
hembra.
2
77
Figura 3.10 Cables y Adaptadores
Bloques de Calibración
1. Bloque Nº 1 : I.I.W. V-1
Para la calibración del equipo se utilizó el bloque I.I.W. V-1, el cual
es un bloque normalizado de referencia empleado para la calibración
tanto en distancia como en sensibilidad, según lo establecido en el
Código de Soldadura Estructural para Acero (Structural Welding
Code-Steel) de la Sociedad Americana de Soldadura (American
Welding Society- AWS). El bloque V-1 permite comprobar el
funcionamiento de palpadores normales y angulares, así como
evaluar la operabilidad de los equipos e instrumentos.
Figura 3.11 Bloque de calibración I.I.W. V-1
78
2. Bloque Nª 2: Bloque para exactitud en decibeles.
Para la calibración al realizar ensayos con palpadores de tipo doble
cristal, es necesario un bloque de tipo escalonado o con dos medidas
conocidas. En el laboratorio se dispuso del bloque que se muestra en
la figura 3.12, para dicha calibración.
Figura 3.12 Bloque de calibración Nº2
En el Apéndice 2 se encuentran las medidas correspondientes a ambos bloques
de calibración.
3.3 Maquinado del espécimen Nº3
Para la realización del protocolo de inspección para la soldadura
aluminotérmica (AT) se indujo en el espécimen Nº3 discontinuidades
artificiales, mediante el uso del taladro FM-13, las cuales se ubicaron de
acuerdo a la defectología típica de la soldadura AT.
En total se realizaron tres taladros, cada uno de 3mm de diámetro, ubicados en
el hongo, la base del patín y el ala del patín.
3.4 Inspección Visual de los rieles
Para llevar a cabo esta inspección, se realizó un examen visual directo, en el
cual se observó la pieza a una distancia aproximada de 60 centímetros y con un
ángulo de visión de 45º respecto a la superficie examinada.
79
3.5 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de pulso-eco con
palpadores normales
Para este ensayo se hizo uso del equipo USN 50, un cable BCM-74-6, el bloque
de calibración V-1, los especímenes Nº 1 y 3, los palpadores de 2,25, 5 y 10
MHz, así como de un aceite de baja viscosidad, el cual se seleccionó como
acoplante por cumplir con las características requeridas (fácil aplicación, fácil
remoción y comportamiento inerte respecto al material bajo ensayo).
a. Procedimiento de calibración del equipo
Antes de cada ensayo se procedió a calibrar el equipo para la aplicación de la
técnica de pulso eco con haz normal, a modo de garantizar la confiabilidad de
las respuestas ultrasónicas obtenidas.
El procedimiento empleado fue llevado a cabo según lo especificado en la
norma COVENIN 2631-89 “Ensayos no destructivos. Ultrasonido. Calibración
de equipos ultrasónicos. Método pulso eco (Bloque patrón BV1)”. Dicho
procedimiento se detalla a continuación:
Procedimiento para la calibración en distancia
1. Se aplicó aceite acoplante en la superficie del bloque V-1.
2. Se ajustó el rango del equipo en 250mm.
3. Se colocó el palpador sobre la superficie del bloque, tal como se
muestra en la figura 3.13.a, para la medición del espesor de 25mm.
4. Se ajustó la posición de los ecos, de modo que el valor de la distancia
entre ellos mostrada en la escala de la pantalla, coincidiera con el valor
del espesor medido (Ver figura 3.13.b). Para este ajuste se variaron los
parámetros de retardo y velocidad del equipo, manteniendo siempre el
eco correspondiente al impulso inicial en el cero de la pantalla.
80
(a) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura 3.13 Calibración en distancia (Hasta 500mm) con palpador normal
Verificación de la resolución del palpador
1. Se colocó el palpador sobre el bloque V-1, en la posición que se muestra
en la figura 3.14.a.
2. Se verificó que la pantalla del equipo mostrará los tres ecos
correspondientes a los espesores de 85, 91mm y 100mm (Ver figura
3.14.b).
(a) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura 3.14 Verificación de la resolución del palpador
Ajuste de la sensibilidad
Para la calibración en sensibilidad se utilizó el espécimen Nº 1.
1. Se aplicó acoplante sobre la superficie de rodadura del riel (Bloque de
referencia).
81
2. Se colocó el palpador sobre la superficie del riel, en la posición
mostrada en la figura 3.15.
3. Se detectó la discontinuidad más cercana a la superficie y se ajustó el
nivel de ganancia, de modo que la amplitud del eco observado en
pantalla alcanzara una amplitud de 80%.
4. Se verificó que el nivel de ganancia establecido en el punto 3 permitiese
detectar la discontinuidad G (discontinuidad más pequeña y más
alejada de la superficie del riel).
Figura 3.15 Calibración de la sensibilidad del palpador
b. Procedimiento de ensayo.
Se realizaron seis ensayos mediante la técnica de pulso eco con palpador
normal de ondas longitudinales sobre el espécimen N°1, tres con el pulsador en
modo alto y tres con el pulsador en modo bajo, para cada modo del pulsador se
utilizó en el primer ensayo el palpador de 2,25 MHz, en el segundo el de 5
MHz y en el tercero de 10 MHz. Sobre el espécimen Nº3 se realizaron dos
ensayos uno con el palpador de 2,25MHz modo alto y uno con el de 5MHz
modo bajo. Para los ensayos de ambos especímenes se mantuvo un mismo nivel
de ganancia.
Antes de realizar los ensayos se limpiaron las superficies de rodadura de ambos
especímenes para eliminar cualquier suciedad o capa de óxido formada en los
82
mismos, producto del tiempo de almacenamiento, mediante el uso de lijas de
distintos números de grano (80 y 250).
Para el desarrollo de cada ensayo se aplicó acoplante y se colocó el palpador
sobre la superficie de la zona a ensayar, de manera que el haz ultrasónico
incidiera sobre la discontinuidad a evaluar. Se realizaron barridos transversales
(Ver figura 3.16.a) y longitudinales (Ver figura 3.16.b) con el propósito de
obtener el eco de mayor amplitud producto del reflejo de la energía sobre cada
discontinuidad. Por último se registraron las distintas respuestas
ultrasónicas provenientes de los reflectores detectados.
(a) Barrido transversal (b) Barrido longitudinal
Figura 3.16 Movimiento del palpador normal para el ensayo del riel
3.6 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica pulso-eco con
palpadores angulares
Para este ensayo se hizo uso del equipo USN 50, un cable tipo BCM-74-6, el
bloque V-1, los especímenes Nº 1 y 3, los palpadores de 2,25 y 5 MHz, zapatas
de 45°, 60°, 70° y acoplante.
83
a. Procedimiento de calibración del equipo.
Para cada uno de los ensayos mediante la técnica de pulso eco con haz
angular, se procedió a la calibración del equipo con el fin de poder garantizar la
confiabilidad de las respuestas ultrasónicas obtenidas en pantalla.
El procedimiento empleado fue llevado a cabo según lo especificado en
la norma COVENIN 2631-89. Dicho procedimiento se detalla a continuación:
Procedimiento para la calibración en distancia:
1. Se aplicó aceite acoplante en la superficie del bloque V-1.
2. Se ajustó el rango del equipo en 250 mm.
3. Se colocó el palpador sobre la superficie del bloque, como se muestra en
la figura 3.17.a, para la medición del radio de 100mm.
4. Se ajustó el retardo y la velocidad del equipo, de tal modo que:
El primer eco correspondiente al impulso inicial (main bang), se
encuentre ubicado en el 0 de la escala mostrada en pantalla.
Los dos ecos sucesivos, correspondientes al radio de 100mm, se
encuentren ubicados en los valores de 100 y 200mm, de la escala de
medición, respectivamente (Ver figura 3.17.b).
(a) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura 3.17 Calibración en distancia con palpador angular
84
Verificación del ángulo de salida del palpador:
1. Se colocó el palpador sobre el bloque V-1, como se muestra en la figura
3.18, de acuerdo al ángulo de la zapata se ubica según la posición “a” o
“b”.
2. Se movió el palpador hasta obtener el eco con mayor amplitud mostrado
en pantalla.
3. Se verificó que el ángulo señalado en la escala del bloque según la
ubicación del palpador, coincidiera con el ángulo de la zapata.
Figura 3.18 Verificación del ángulo de salida de la zapata
Ajuste de la sensibilidad:
Para la calibración en sensibilidad se utilizó el espécimen Nº 1.
1. Se aplicó acoplante sobre la superficie de rodadura del riel (Bloque de
referencia).
2. Se colocó el palpador sobre la superficie del riel.
3. Se detectó la discontinuidad más cercana a la superficie y se ajustó el
nivel de ganancia, de modo que la amplitud del eco observado en
pantalla alcanzara una amplitud de 80%.
4. Se verificó que en la pantalla del equipo se mostrara el eco
correspondiente a la discontinuidad “X” (discontinuidad más pequeña y
más alejada de la superficie del riel observable con el ángulo de la
zapata utilizada, considerando la longitud del espécimen disponible, en
campo no se tendrá esta limitación).
85
b. Procedimiento de ensayo
Se realizaron cuatro ensayos sobre el espécimen N°1 y cuatro sobre el
espécimen N°3, para un total de ocho ensayos mediante la técnica de pulso eco
con palpador angular. Ambos especímenes se ensayaron haciendo uso del
palpador Nº 4 de 5MHz variando el ángulo de refracción del haz ultrasónico
mediante las zapatas disponibles en el laboratorio (45°,60º y 70°) y del palpador
Nº 3 adaptado a una zapata de 45º.
Para el desarrollo de cada ensayo se aplicó acoplante y se colocó el palpador
con su respectiva zapata sobre la superficie de la zona a ensayar, de manera que
el haz ultrasónico incidiera sobre la discontinuidad a evaluar. Se realizaron
barridos longitudinales y rotacionales con el propósito de obtener el eco de
mayor amplitud producto del reflejo de la energía sobre la discontinuidad. Por
último se registraron las distintas respuestas ultrasónicas provenientes de los
reflectores detectados.
3.7 Aplicación del ensayo ultrasónico mediante la técnica de transmisión
con palpadores doble cristal
Para el desarrollo del ensayo se utilizó el equipo USN 50, el espécimen Nº 1,
los palpadores doble cristal de 2MHz y 4MHz, dos cables tipo BNC-BNC, dos
adaptadores LM-BF, el bloque de calibración de la figura 3.12 y el aceite
acoplante.
a. Procedimiento de calibración del equipo
1. Se colocó el equipo en transmisión.
2. Se ajustó el rango de medición del equipo a 4 pulgadas.
3. Se aplicó acoplante y luego se colocó el palpador como se muestra en la
figura 3.19.a, para medir el espesor de 2 pulgadas.
86
4. Se ajustó el retardo de manera tal, que el eco correspondiente a 2
pulgadas coincidiera con dicho valor en la escala mostrada en pantalla.
5. Se ajustó el valor de ganancia hasta obtener un eco de amplitud
considerable.
6. Se colocó el palpador como se muestra en la figura 3.19.b, para medir el
espesor de 4 pulgadas.
7. Se ajustó la velocidad del equipo de manera tal que el eco mostrado en
pantalla, coincidiera con el valor de 4 pulgadas de la escala de medidas.
8. Se repitieron los pasos del 3 al 7, hasta que ambos ecos estuviesen
correctamente posicionados.
(a) Medición de espesor 2pulg (b) Medición de espesor 4pulg
Figura 3.19 Calibración en distancia con palpador doble cristal
b. Procedimiento de ensayo
Se realizaron dos ensayos sobre el espécimen N°1 mediante la técnica de
transmisión con palpador de tipo doble cristal. Para el ensayo se utilizó en
primer lugar el palpador de 2 MHz y en segundo lugar el de 4 MHz,
manteniendo un mismo nivel de ganancia para cada uno de ellos.
Para el desarrollo de estos ensayos se llevó a cabo el mismo procedimiento
empleado en la técnica de pulso-eco con palpador normal de ondas
longitudinales.
87
3.7 Cálculo de parámetros y coeficientes representativos
a. Cálculo del coeficiente de atenuación (α)
Para cada uno de los palpadores se realizó el cálculo del porcentaje de
atenuación de la señal ultrasónica en el material. Para esto se ensayó una zona
del riel libre de discontinuidades y se registro la amplitud de dos ecos de fondo
sucesivos, luego mediante el uso de la ecuación 2.11 se determinó el valor de
dicho parámetro.
b. Cálculo de la relación señal ruido (SNR)
Se calculó la relación señal ruido, mediante la aplicación de la ecuación 2.18,
para ello fue necesario ensayar una zona sana del riel para registrar el
porcentaje de amplitud correspondiente al eco de fondo y al ruido observado en
pantalla.
3.9 Análisis de las señales
Una vez finalizados los ensayos, se analizaron las respuestas obtenidas en
pantalla durante la realización de los mismos, para de esta forma caracterizar el
comportamiento de cada palpador, de acuerdo a la amplitud de ecos mostrados
en pantalla, la uniformidad de los ecos, la atenuación de la señal ultrasónica, la
relación señal ruido y la capacidad de detección de discontinuidades ubicadas
en las tres zonal del perfil (cabeza, alma y patín) del palpador.
3.10 Comparación de las señales
Una vez analizados los ensayos efectuados con los distintos palpadores, se
procedió a comparar las señales obtenidas en pantalla en cada uno de ellos. Para
dicha comparación se tomó en cuenta el análisis realizado para cada ensayo y
de este modo se evaluó las ventajas y desventajas de cada uno de ellos.
88
3.11 Selección de los palpadores y las zapatas
En base a los resultados obtenidos en los apartados 3.8 y 3.9, se procedió a la
selección de los palpadores cuyas características proporcionaron una lectura
más óptima de las discontinuidades inspeccionadas, así mismo se seleccionaron
los ángulos de las zapatas a utilizar en el protocolo, de acuerdo a la
funcionalidad ofrecida para detectar discontinuidades en la diferentes zonas del
riel y de la soldadura.
3.12 Elaboración de las curvas DAC
Para el trazado de las curvas DAC, se hizo uso del espécimen Nº 1 y el
espécimen Nº 3, los cuales cuentan con reflectores de tamaño conocido a
distintas profundidades, dos palpadores normales, tres palpadores angulares, un
cable coaxial tipo BNC-74X y aceite acoplante.
Mediante el siguiente procedimiento se realizó el trazado de la curva para el
palpador normal y para los palpadores angulares:
1. Se colocó el palpador con acoplante sobre la superficie del riel a evaluar
(dependiendo del espécimen y del palpador utilizado), dirigido hacia la
discontinuidad ubicada a menor profundidad, luego se movió el
palpador hasta obtener el eco de mayor amplitud correspondiente a
dicha discontinuidad.
2. Se realizó el ajuste de ganancia, de modo tal que la amplitud del eco
llegase al 80% (±5%) de la escala vertical de la pantalla.
3. Se registro la indicación.
4. Luego se movió el palpador hasta detectar las demás discontinuidades
presentes en el Bloque de referencia a distintas profundidades y que
fuesen observables con el palpador empleado, una vez obtenido el eco
de mayor amplitud para cada caso y se registró el pico y la ubicación de
la indicación en pantalla.
89
Se unieron los puntos máximos de cada pico o indicación, para obtener la
curva.
3.13 Evaluación de las señales
Una vez seleccionados los palpadores a utilizar para la elaboración del
protocolo, se procedió a caracterizar las discontinuidades artificiales presentes
en el espécimen Nº2 y los defectos reales presentes en el espécimen Nº4, para
esto se inspeccionaron las piezas haciendo uso de barridos transversales,
longitudinales y de rotación (este último sólo aplica para palpadores angulares),
para determinar la forma de la discontinuidad y la ubicación de la misma.
Así mismo una vez trazadas las curvas DAC para palpadores normales y
angulares, se verificó la funcionalidad de las mismas, al evaluar
discontinuidades de mayor tamaño en los especímenes Nº 2 y Nº 4 y comparar
los ecos obtenidos con la altura de las curvas.
3.14 Redacción del protocolo
Una vez evaluados los distintos parámetros de inspección y
seleccionado el equipo cuya respuesta resultó la más óptima para el ensayo de
los rieles, se procedió a la elaboración del protocolo de inspección para rieles y
para soldadura aluminotérmica, a fin de cumplir con el objetivo propuesto al
inicio de este trabajo especial de grado.
90
CAPITULO IV
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1 Mecanizado del Espécimen Nº 3
Una vez mecanizado el espécimen Nº 3, se obtuvo como resultado las
siguientes discontinuidades artificiales en la soldadura aluminotérmica.
Figura 4.1 Sección transversal Figura 4.2 Vista lateral del espécimen N°3
del espécimen N°3
4.2 Inspección visual
Mediante el procedimiento de inspección visual de los cuatro especímenes se
verificó que el perfil de cada uno correspondía al perfil UIC-54, en el caso de
los especímenes N°1, N°2 y N°3 no se observaron discontinuidades distintas a
las artificiales, lo cual los hace idóneos como bloques de patrón y base para la
realización del protocolo, ya que cuentan con una superficie óptima para la
inspección. Por otro parte, en el espécimen N°4 se observaron grietas
horizontales a la altura de la unión hongo-alma y grietas transversales alrededor
de los agujeros destinados a la colocación de los bulones.
91
Además, en los cuatro especímenes se observó una pequeña capa de óxido en la
superficie de los rieles, la cual es producto del tiempo de almacenamiento de las
muestras en el laboratorio.
4.3 Inspección por ultrasonido mediante la técnica de pulso-eco con
palpador normal de ondas longitudinales
A continuación se presentan las imágenes correspondientes a las respuestas
obtenidas en pantalla en los ensayos realizados mediante la técnica de pulso-eco
con palpadores normales de ondas longitudinales.
I. Sobre el riel (espécimen Nº1)
Para el ensayo del espécimen se utilizó el pulsador en modo alto (mayor
energía) y en modo bajo (menor energía), para observar los cambios en
amplitud y uniformidad de los ecos, en función de la variación de la cantidad de
energía suministrada por el equipo.
Todos los ensayos se realizaron con un nivel de ganancia de 36dB.
1. Palpador de 2,25 MHz y diámetro 13mm
a. Nivel del pulsador: Alto
Figura 4.3 Eco de fondo, Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.3 se observa el eco correspondiente al reflejo de la energía
ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de 74%
92
de altura de pantalla (%ATP). A su vez se puede observar mucha presencia
de ruido con amplitud promedio de 3% ATP.
Figura 4.4 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.4 se observa un primer eco correspondiente a la
discontinuidad A, con una amplitud de 80% ATP, el cual se encuentra
dentro del pulso inicial. Por otra parte, se muestra un segundo eco
correspondiente a la discontinuidad B con una amplitud de 32% ATP.
Además se observa el eco de fondo con una amplitud de 30% ATP y ruido o
grama con una amplitud promedio de 5% ATP.
Figura 4.5 Discontinuidad B Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.5 se observa un primer eco correspondiente a la
discontinuidad B con una amplitud de 58% ATP. Además se observa el eco
de fondo con una amplitud de 53% ATP.
93
Figura 4.6 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.6 se observa un primer eco correspondiente a la
discontinuidad C con una amplitud de 30% de ATP. Además se muestra un
eco de fondo cuya amplitud es de 60% ATP y ruido con una amplitud
promedio de 5% ATP.
Figura 4.7 Discontinuidad D. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.7 se muestra un primer eco correspondiente a la
discontinuidad D con una amplitud de 23% de altura de pantalla. Además se
observa un eco de fondo con una amplitud de 68% ATP y ruido promedio
con una amplitud promedio de 7% ATP.
94
Figura 4.8 Discontinuidad E. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.8 se muestra un primer eco correspondiente a la
discontinuidad E con una amplitud de 18% ATP. Además se observa un eco
de fondo cuya altura de 60% ATP y señales parásitas con una amplitud
promedio de 5% ATP.
Figura 4.9 Discontinuidad F. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.9 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad F con
una amplitud de 12% ATP. Además se tiene un eco de fondo de amplitud
52% ATP y ruido de amplitud promedio 5% ATP.
95
Figura 4.10 Discontinuidad G. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.10 se muestra un primer eco correspondiente a la
discontinuidad G con una amplitud de 15% ATP, sin embargo puede llegar
a confundirse con la amplitud del ruido. El eco de fondo tiene una amplitud
de 80% ATP.
b. Nivel del pulsador: Bajo
Figura 4.11 Eco de fondo. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.11 se observa el eco correspondiente al reflejo de la energía
ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de 16%
ATP. A su vez se puede observar muy poca presencia de ruido con amplitud
promedio de 3% ATP.
96
Figura 4.12 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.12 se observa que el eco de la discontinuidad A se encuentra
dentro del pulso inicial con una amplitud de aproximadamente 20% ATP lo
cual dificulta su detección. El eco de fondo alcanza una altura de apenas
10% ATP.
Figura 4.13 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.13 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad B
con una amplitud de 18% ATP. Además se observa el eco de fondo con una
amplitud de 20% ATP.
97
Figura 4.14 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.14 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad C
con una amplitud de 10% ATP, mientras que el eco de fondo tiene una
amplitud de aproximadamente 25% ATP.
Figura 4.15 Discontinuidad D. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.15 apenas se detecta la discontinuidad, pues su eco
correspondiente tiene una amplitud menor al 10% ATP. Por otra parte, el
eco de fondo se muestra con una amplitud de 25% ATP.
98
Figura 4.16 Discontinuidad E. Espécimen Nº1. Palpador 2,25MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.16 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad E,
cuya amplitud es prácticamente nula. El eco de fondo se muestra con una
amplitud de 18% ATP.
2. Palpador de 5MHz y diámetro 13mm
a. Nivel del pulsador: Alto
Figura 4.17 Eco de fondo. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto.
En la figura 4.17 se observa el eco correspondiente al reflejo de la energía
ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de 40%
ATP. A su vez se puede observar la presencia de ruido a lo largo de todas la
base de tiempo de la pantalla, con amplitud promedio de 10% ATP.
99
Figura 4.18 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.18 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad A el cual
es mayor al 100% ATP, cabe destacar que éste se encuentra dentro del pulso
inicial. Además se observa un segundo eco correspondiente a la discontinuidad
B con una altura de eco de aproximadamente 38% ATP. Asimismo, se muestra
un tercer eco a una distancia de 50 milímetros correspondiente a la unión
hongo-alma con una amplitud de 46% ATP, por tal motivo, es considerado una
señal parásita. El eco de fondo tiene una amplitud aproximada de 25% ATP.
Por último el ruido promedio tiene una amplitud de 12% ATP.
Figura 4.19 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.19 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
B con una amplitud de 60% ATP. El segundo eco corresponde al eco de fondo
y tiene una amplitud de 35% ATP, mientras que el ruido promedio alcanza una
amplitud de 12% ATP.
100
Figura 4.20 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.20 se observa el eco de la discontinuidad C con una amplitud de
44% ATP. Además el eco de fondo tiene una amplitud de 55% ATP. El ruido
tiene una amplitud promedio de 12% ATP aproximadamente.
Figura 4.21 Discontinuidad D. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.21 se observa el eco de la discontinuidad D, el cual tiene una
amplitud de 26% ATP, mientras que el eco de fondo es de 65% ATP. Además
el ruido tiene una amplitud promedio de 12% ATP.
101
Figura 4.22 Discontinuidad E. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.22 se observa un primer eco correspondiente a la unión hongo-
alma (señal parásita) cuya amplitud es de 20% ATP, un segundo eco
correspondiente a la discontinuidad E con una amplitud de 20% ATP y un
tercer eco correspondiente al eco de fondo con una amplitud de 45% ATP
aproximadamente. Además se observa ruido con una amplitud promedio de
12% ATP
Figura 4.23 Discontinuidad F Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.23 se muestra un primer eco correspondiente a la unión hongo-
alma (señal parásita) con una amplitud de 30% ATP, el eco de la discontinuidad
F tiene una amplitud de 19% ATP, sin embargo se dificulta su detección
producto de la gran cantidad de ruido. Por otra parte el eco de fondo tiene una
amplitud aproximada de 48% ATP
102
Figura 4.24 Discontinuidad F. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.24 se dificulta la detección de la discontinuidad F. Se muestra un
primer eco correspondiente a la unión hongo-alma y segundo eco
correspondiente al eco de fondo. Se dificulta la detección de la discontinuidad F
producto de la gran cantidad de ruido.
b. Nivel del pulsador: Bajo
Figura 4.25 Eco de fondo. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo.
En la figura 4.25 se observa el eco correspondiente al reflejo de la energía
ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de 22%
ATP. A su vez se muestra poca presencia de ruido, con amplitud promedio de
3% ATP.
103
.
Figura 4.26 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.26 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
A con una amplitud de aproximadamente 98% ATP. Además se observa un
segundo eco correspondiente a la discontinuidad B con una amplitud de 30%
ATP.
Figura 4.27 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.27 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
B con una amplitud de 55% ATP. Asimismo, se muestra el eco de fondo con
una amplitud de 28% ATP.
104
Figura 4.28 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.22 se muestra el eco de la discontinuidad C con una amplitud de
31% ATP. Además, se observa el eco de fondo con una altura de 20% ATP.
Figura 4.29 Discontinuidad D. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.29 se dificulta la detección de la discontinuidad D pues la
amplitud de este eco es de aproximadamente 10% ATP. Además, se observa el
eco de fondo con una amplitud de 30% ATP.
105
Figura 4.30 Discontinuidad E. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.30 se muestra la discontinuidad E mediante un eco de amplitud
20% ATP. Además se observa el eco de fondo con una amplitud de 18% ATP.
Figura 4.31 Discontinuidad F. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.31 se muestra un eco de amplitud 13% ATP correspondiente a la
discontinuidad F, además se muestran dos ecos sucesivos en 155 y 160
milímetros respectivamente, siendo el primero de éstos el correspondiente a
agujero de fondo plano que tiene el riel, y el segundo al eco de fondo.
106
Figura 4.32 Discontinuidad G. Espécimen Nº1. Palpador 5MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.32 se muestra un primer eco correspondiente a la discontinuidad
G con una amplitud de 11% ATP. Seguidamente se observa el eco de fondo una
amplitud de 35% ATP. Además, se observan en pantalla señales de ruido.
3. Palpador de 10MHz y diámetro 6mm
a. Nivel del pulsador: Alto
Figura 4.33 Eco de fondo. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.33 se observa el eco correspondiente al reflejo de la energía
ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de 9%
ATP. A su vez se muestra poca presencia de ruido, con amplitud promedio de
2% ATP.
107
Figura 4.34 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.34 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
A con una amplitud de 68% ATP. Por otra parte, apenas se observa el eco de
fondo con una amplitud menor al 10% ATP.
Figura 4.35 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador alto
En la figura 4.35 se muestra un primer eco correspondiente a la discontinuidad
B con una amplitud de 15% ATP y un eco de fondo con una amplitud de 10%
ATP.
108
b. Nivel del pulsador: Bajo
Figura 4.36 Eco de fondo. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.36 se observa un pequeño eco correspondiente al reflejo de la
energía ultrasónica sobre el fondo de la pieza, dicho eco posee una amplitud de
1% ATP, lo cual hace imposible la inspección.
Figura 4.37 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.37 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
A con una amplitud de 52% ATP.
109
Figura 4.38 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador 10MHz. Modo pulsador bajo
En la figura 4.38 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad B cuya
amplitud es prácticamente nulo, 4% ATP.
II. Sobre la soldadura aluminotérmica (espécimen Nº 3)
1. Palpador de 2,25 MHz y diámetro 13mm. Nivel del pulsador alto
Figura 4.39 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador 2,25MHz (Ø13mm). Modo pulsador alto
En la figura 4.39 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad K con
una amplitud de 80%, el cual se encuentra dentro de pulso inicial. Además se
observa el eco de fondo con una amplitud de 10% y señales de ruido de
4%ATP.
110
2. Palpador de 5 MHz y diámetro 13mm. Nivel del pulsador alto
Figura 4.40 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador 5MHz (Ø13mm). Modo pulsador bajo
En la figura 4.40 se observa el eco correspondiente a la discontinuidad K con
un porcentaje de altura de pantalla de 40%. No se observan señales de ruido, ni
eco proveniente del reflejo del haz en el fondo de la pieza.
4.4 Inspección por ultrasonido mediante la técnica de pulso-eco con
palpador angular.
Para todos los ensayos realizados con palpador angular se utilizó el pulsador en
modo alto, lo cual viene recomendado por el fabricante del equipo en el manual
de usuario.
I. Sobre el riel (espécimen Nº1)
A continuación se presentan las imágenes correspondientes a las respuestas
obtenidas en pantalla en los cuatro ensayos realizados mediante la técnica de
pulso-eco, tres de ellos con palpador normal de 5MHz y zapatas de 45, 60 y
70º, y uno con palpador de 2,25 MHz y zapata de 45° sobre el espécimen Nº 1.
En todos los ensayos se observó que la posición del eco mostrada en la escala
de distancia, correspondiente al camino sónico recorrido por el haz ultrasónico,
difirió en un rango de 1 y 3mm respecto al camino sónico calculado
111
teóricamente por medio de las formulas trigonométricas, esto pudo deberse a la
condición superficial de la pieza o a la estructura interna del material.
1. Zapata de 45 grados, palpador de 5 MHz y diámetro 18 milímetros
Nivel de Ganancia: 44 dB
Figura 4.41 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 45º
En la figura 4.41 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad A con
una amplitud de 80% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 26
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 28 milímetros.
No se observa ruido.
Figura 4.42 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 45º
112
En la figura 4.42 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad B con
una amplitud de 40% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 54
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 56 milímetros.
No se observa ruido.
Figura 4.43 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 45º
En la figura 4.43 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad B con
una amplitud de 20% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 81
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 84 milímetros.
No se observa ruido.
2. Zapata de 45 grados, palpador de 2,25 MHz y diámetro 13
milímetros.
Nivel de Ganancia: 45 dB.
Figura 4.44 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
113
En la figura 4.44 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad A con
una amplitud de 80% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 27
milímetros. Se observa un ruido con amplitud promedio de 5% ATP.
Figura 4.45 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
En la figura 4.45 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad B con
una amplitud de 60% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de
milímetros. Además se observa un eco de amplitud 15% ATP a 225 milímetros
en la escala horizontal correspondiente al eco de fondo.
Figura 4.46 Discontinuidad C. Espécimen Nº1. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
114
En la figura 4.46 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad C con
una amplitud de 45% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 80
milímetros.
Figura 4.47 Discontinuidad D. Espécimen Nº1. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
En la figura 4.47 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad D con
una amplitud de eco de 30% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de
114 milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 113
milímetros.
3. Zapata de 60 grados, palpador de 5 MHz y diámetro 18 milímetros
Ganancia: 56 dB.
Figura 4.48 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 60º
115
En la figura 4.48 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad A con
una amplitud de 80% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 37
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 38 milímetros.
No se observa ruido.
Figura 4.49 Discontinuidad B. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 60º.
En la figura 4.49 se muestra un eco correspondiente a una discontinuidad B con
una amplitud de 40% ATP, la onda recorrió a una distancia aproximada 79
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 78 milímetros.
No se observa ruido.
4. Zapata de 70 grados, palpador de 5MHz y 18 diámetro milímetros
Ganancia: 58 dB.
Figura 4.50 Discontinuidad A. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 70º.
116
En la figura 4.50 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad A con
una amplitud de 60% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 57
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 58,5
milímetros. No se observa ruido.
Figura 4.51 Discontinuidad a 30 milímetros. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 70º.
En la figura 4.51 se muestra un eco correspondiente a la discontinuidad ubicada
a 30 milímetros con una amplitud de 40% ATP, la onda recorrió una distancia
aproximada de 90 milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es
de 88 milímetros. No se observa ruido.
II. Sobre la soldadura aluminotérmica (espécimen Nº 3)Zapata 45º,
palpador de 5MHz y diámetro 18mm.
Nivel de Ganancia: 54dB
Figura 4.52 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 45º.
117
En la figura 4.52 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad Kcon
una amplitud de 80% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 30
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 31 milímetros.
Se observa ruido con un 2% ATP.
1. Zapata 45°, palpador de 2,25 MHz y diámetro 13 milímetros
Nivel de Ganancia: 47dB
Figura 4.53 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
En la figura 4.53 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad K con
una amplitud de 80% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 31
milímetros. Se observa ruido con un 2% ATP.
Figura 4.54 Discontinuidad L. Espécimen Nº3. Palpador de 2,25MHz (Ø13mm) a 45º
En la figura 4.54 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad L con
una amplitud de 20% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 225
118
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 226
milímetros. Se observa ruido con un 2% ATP.
2. Zapata 60°, palpador de 5 MHz y diámetro 18mm
Figura 4.55 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 60º
En la figura 4.55 se observa un eco correspondiente a la discontinuidad L con
una amplitud de 20% ATP, la onda recorrió una distancia aproximada de 40
milímetros. El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 44 milímetros.
Se observa ruido con un 2% ATP.
3. Zapata 70°, palpador de 5 MHz y diámetro 18 milímetros
Figura 4.56 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 70º
En la figura 4.56 se muestra un eco de amplitud 28% ATP correspondiente a la
discontinuidad K, la onda recorrió una distancia aproximada de 67 milímetros.
El camino sónico teórico recorrido por la onda es de 64 milímetros. Se observa
ruido con un 8% ATP..
119
Figura 4.57 Discontinuidad M. Espécimen Nº3. Palpador de 5MHz (Ø18mm) a 70º
En la figura 4.57 se muestra un eco de amplitud 30% ATP correspondiente a la
discontinuidad M.
4.5 Inspección por ultrasonido mediante la técnica de transmisión con
palpador de tipo doble cristal
A continuación se presentan las imágenes correspondientes a las respuestas
obtenidas en pantalla en los dos ensayos realizados mediante la técnica de
transmisión con palpadores doble cristal sobre el espécimen Nº 2, con un nivel
de ganancia de 52dB.
I. Sobre el riel (espécimen Nº 1)
1. Palpador doble cristal de 2 MHz
Figura 4.58 Eco de fondo. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 2MHz
120
En la figura 4.58 se observa el eco correspondiente al fondo de la pieza bajo
ensayo, el cual posee una amplitud de 42% ATP, además de algunos ecos
producto de ruido y señales parásitas.
Figura 4.59 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 2MHz
En la figura 4.59 se muestra el eco correspondiente a la discontinuidad A con
una amplitud de 78% ATP. Además se observa gran cantidad de ruido con una
amplitud promedio de 10% ATP. El eco de fondo se percibe con una amplitud
de 10% ATP.
Figura 4.60 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 2MHz
En la figura 4.60 se muestra un primer eco correspondiente a la discontinuidad
B con una amplitud de 29% ATP. Además se observa el eco de fondo con una
amplitud de 28% ATP y un ruido con amplitud promedio de 6% ATP.
121
Figura 4.61 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 2MHz
En la figura 4.61 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
C con una amplitud de 19% ATP. Además se muestra el eco de fondo con una
amplitud 38% y señales parásitas con una amplitud promedio de 8%.
2. Palpador doble cristal de 4 MHz
Figura 4.62 Eco de fondo. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.62 se observa el eco correspondiente al fondo de la pieza bajo
ensayo, el cual posee una amplitud de 60% ATP, además de dos ecos producto
de ruido y señales parásitas.
122
Figura 4.63 Discontinuidad A. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.63 se observa un primer eco correspondiente a la discontinuidad
A con una amplitud de 19% ATP y un segundo eco correspondiente a la
discontinuidad B con la misma amplitud. Además se muestra el eco de fondo
con una amplitud de 30% ATP.
Figura 4.64 Discontinuidad B. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.64 se muestra un primer eco correspondiente a la discontinuidad
B con una amplitud de 40% y un segundo eco correspondiente al eco de fondo
con una amplitud de 45% ATP. Además se observan ciertas señales parásitas.
123
Figura 4.65 Discontinuidad C. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.65 se muestra la discontinuidad C con una amplitud de eco con
una amplitud de 38% ATP y el eco de fondo con un amplitud de 40% ATP.
Además se observan ciertas señales parásitas.
Figura 4.66 Discontinuidad D. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.66 se muestra la discontinuidad D con una amplitud de eco con
una amplitud de 26% ATP y el eco de fondo con un amplitud de 40% ATP.
Además se observan ciertas señales parásitas.
124
Figura 4.67 Discontinuidad E. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.67 se muestra la discontinuidad E con una amplitud de eco con
una amplitud de 20% ATP y el eco de fondo con un amplitud de 40% ATP.
Además se observan ciertas señales parásitas.
Figura 4.68 Discontinuidad F. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.68 se muestra la discontinuidad F con una amplitud de eco con
una amplitud de 10% ATP y el eco de fondo con un amplitud de 70% ATP.
Además se observan ciertas señales de ruido.
125
Figura 4.69 Discontinuidad G. Espécimen Nº 1. Palpador doble cristal de 4MHz
En la figura 4.69 se muestra la discontinuidad G con una amplitud de eco con
una amplitud menor de 10% ATP y el eco de fondo con un amplitud de 36%
ATP. Además se observan ciertas señales de ruido.
II. Sobre la soldadura aluminotérmica (espécimen Nº 3)
1. Palpador doble cristal de 2 MHz
Figura 4.70 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador doble cristal 2MHz
En la figura 4.70 se muestra la discontinuidad K con una amplitud de eco con
una amplitud aproximada de 25% ATP. En pantalla no se observa la señal
correspondiente al eco de fondo se observan ciertas señales parásitas.
126
2. Palpador doble cristal de 4 MHz
Figura 4.71 Discontinuidad K. Espécimen Nº3. Palpador doble cristal 4MHz
En la figura 4.71 la amplitud del eco mostrado es prácticamente nula, por lo
cual este palpador no ofrece una respuesta óptima para la inspección.
4.6 Cálculo de parámetros
Al realizar el cálculo de los parámetros indicados en el apartado 3.8 se
obtuvieron los siguientes resultados:
Tabla 4.1 Coeficiente de atenuación aparente
Frecuencia (MHz) 2,25 5 10
Atenuación aparente (dB) 6 7,5 1128
Tabla 4.2 Relación señal-ruido para los palpadores disponibles
Frecuencia 2,25 MHz. 5 MHz
Pulsador Bajo Alto Modo Alto
SNR (dB) 13 16 12,4 15,8
Al realizar los cálculos mostrados en la tabla 4.1 se pudo apreciar que el valor
del coeficiente de atenuación aumenta al incrementar la frecuencia, debido a los
fenómenos de absorción y dispersión.
127
Por otro lado de acuerdo a los resultados obtenidos para la relación señal ruido,
se puede decir que para el palpador de 2,25 MHz en modo alto y el de 5MHz en
modo bajo, la diferencia entre la amplitud de los ecos proveniente de reflectores
y la amplitud del ruido es mayor, por lo tanto se obtendrán buenas respuestas en
pantalla, facilitando así la interpretación de las mismas.
4.7 Análisis de las señales
A continuación se presenta los análisis de las respuestas obtenidas en pantalla
durante el desarrollo de cada uno de los ensayos ultrasónicos, los cuales se
realizaron de acuerdo a la técnica empleada y al tipo de palpador utilizado.
1. Técnica pulso-eco. Palpador normal de ondas longitudinales
a. Espécimen Nº1. Palpador de 2,25MHz y diámetro 13 milímetros
Pulsador modo alto
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de
2,25 MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo alto, se obtuvo,
como se muestran en las figuras 4.3-4.10, ecos con amplitudes comprendidas
entre 12% y 80% de la altura de la pantalla, correspondientes a las
discontinuidades detectadas, así como, ruido o señales parásitas con una
amplitud promedio de 5% y un perfil de eco relativamente uniforme a lo largo
de todo el ensayo, además al evaluar una zona libre de discontinuidades se
alcanzó un eco de fondo de 74% de amplitud de la pantalla. Con este palpador
fue posible detectar todas las discontinuidades artificiales presentes en el riel,
en otras palabras el palpador posee buena sensibilidad. Sin embargo se presenta
un inconveniente al detectar la discontinuidad A, la cual se encuentra ubicada a
una profundidad de 20mm, debido a que el eco correspondiente al reflejo de la
energía que incide sobre la misma, se muestra en pantalla dentro del impulso
128
inicial (main bang), por lo cual no permite ser evaluada de forma óptima, ya
que la presencia del impulso inicial puede influir en su amplitud y ubicación.
Pulsador modo bajo
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de
2,25 MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo bajo, se obtuvo,
como se muestran en las figuras 4.11-4.16, ecos con amplitudes comprendidas
entre 5% y 24% de la altura de la pantalla, correspondientes a las
discontinuidades detectadas, así como, ruido o señales parásitas con una
amplitud promedio de 2%, además al evaluar una zona libre de
discontinuidades se alcanzó un eco de fondo de 16% de amplitud de la pantalla
. Con este palpador no fue posible detectar todas las discontinuidades
artificiales presentes en el riel, para lograr una mayor detectabilidad se debería
aumentar el nivel de ganancia, pero con esto aumentaría a su vez la amplitud de
las señales parasitas, lo cual daría lugar a confusiones al momento de la
inspección. Así mismo, al igual que en el ensayo con el pulsador en modo alto,
se presenta un inconveniente al detectar la discontinuidad A, debido a que el
eco correspondiente al reflejo de la energía se muestra en pantalla dentro del
impulso inicial, por lo cual no permite ser evaluada de forma óptima.
b. Espécimen Nº1. Palpador de 5MHz y diámetro 13 milímetros
Pulsador modo alto
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de 5
MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo alto, se obtuvo, como
se muestran en las figuras 4.17-4.24, ecos con amplitudes comprendidas entre
17% y 100% de la altura de la pantalla, correspondientes a las discontinuidades
detectadas, así como, ruido o señales parásitas con una amplitud promedio de
12% y un perfil de eco no uniforme a lo largo de todo el ensayo, además al
evaluar una zona libre de discontinuidades se alcanzó un eco de fondo de 40%
de altura de la pantalla. Con este palpador fue posible detectar todas las
129
discontinuidades artificiales presentes en el riel, pero debido a la amplitud del
ruido presente en pantalla, es difícil distinguir las señales provenientes de las
discontinuidades y las señales parásitas, lo cual no es deseable al momento de
inspeccionar. Por otra parte el eco correspondiente al impulso inicial se une con
los ecos de las señales parasitas, este fenómeno da lugar a una lectura poco
aproximada de la escala de distancia, lo cual se traduce en un registro erróneo
de los resultados de la inspección.
Pulsador modo bajo
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de
5MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo bajo, se obtuvo, como
se muestra en las figuras 4.25-4.32, ecos con amplitudes comprendidas entre
12% y 98% de la altura de la pantalla, correspondientes a las discontinuidades
detectadas, así como, ruido o señales parásitas con una amplitud promedio de
6% y un perfil de eco relativamente uniforme a lo largo de todo el ensayo,
además al evaluar una zona libre de discontinuidades se alcanzó un eco de
fondo de 22% de amplitud de la pantalla.
Se pudo observar todas las discontinuidades presenten en el riel, sin embargo la
discontinuidad D, presentó inconvenientes al momento de su detección.
c. Espécimen Nº1. Palpador de 10MHz y diámetro 6mm
Pulsador modo alto
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de 10
MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo alto, se obtuvo, como
se muestran en las figuras 4.33-4.35, ecos con amplitudes de 18% y 68% de la
altura de la pantalla, correspondientes a las discontinuidades B y A
respectivamente, las cuales fueron las únicas detectadas por el palpador, así
como, ruido o señales parásitas con una amplitud promedio de 3% y un perfil
de eco uniforme, por otra parte al evaluar una zona libre de discontinuidades se
130
alcanzó un eco de fondo de 9% de amplitud de la pantalla . La poca capacidad
de detección mostrada por el palpador es debida al alto valor del coeficiente de
atenuación en el material para 10MHz de frecuencia, este cálculo se realizó en
el punto 4.6. Se concluye que el palpador de 10MHz en modo alto no ofrece
resultados óptimos para la inspección de rieles, por lo cual se descarta su
utilización.
Pulsador modo bajo
Al realizar el ensayo ultrasónico sobre el espécimen N°2, con el palpador de
10MHz, una ganancia de 36 dB y con el pulsador en modo bajo, se obtuvo
respuesta en pantalla únicamente para la discontinuidad A, para las
discontinuidades ubicadas a mayores profundidades no se mostro eco alguno en
pantalla, además al inspeccionar una zona sana del riel prácticamente no se
observa eco de fondo (amplitud de 1% ATP), producto de la atenuación y el
nivel de energía suministrado, por estos motivos se descarta el empleo del
palpador de 10Mhz con pulsador en modo bajo para la inspección de los rieles.
2. Técnica pulso-eco. Palpador angular
Se observó que la posición de los ecos en la escala de distancia,
correspondiente al camino sónico recorrido por el haz ultrasónico, en todos los
casos tuvo un error de ±3mm en la ubicación de los ecos, esta diferencia entre
el camino sónico real y el teórico puede deberse a la perdida de linealidad
horizontal del equipo debido al tiempo de uso, o a las condiciones superficiales
de la pieza.
a. Espécimen Nº1, palpador 45º, frecuencia 5MHz y diámetro
18mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 1 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 45º, se pudo detectar las discontinuidades A, B y C,
ubicadas a 20, 40 y 60mm respectivamente. Los ecos correspondientes a dichas
131
discontinuidades alcanzaron una amplitud de 80% en el caso de la
discontinuidad A, 40% en la B y 20% en la C, estos porcentajes de altura de
pantalla aunados a la inexistencia de señales provenientes de ruido, permiten
una detección óptima de la discontinuidad y favorecen a la correcta evaluación
de las mismas. Cabe destacar que en el caso del espécimen de estudio no fue
posible detectar las discontinuidades ubicadas a profundidades mayores debido
a la longitud del mismo, por lo cual no significa que el palpador de 45º no sea
capaz de detectar discontinuidades presentes en el riel a profundidades mayores
a 60mm.
b. Espécimen Nº1, palpador 45º, 2,25MHz y diámetro 13mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 1 con el palpador de 2,25MHz
adaptado a la zapata de 45º, se pudo detectar las discontinuidades A, B, C y D
ubicadas a 20, 40, 60 y 80 milímetros respectivamente. Los ecos
correspondientes a dichas discontinuidades alcanzaron una amplitud de 80% en
el caso de la discontinuidad A, 60% en la B, 45% en la C y 30% en la D, la
capacidad de detectabilidad de este palpador, sumado a la amplitud y
uniformidad de los ecos, así como a la poca presencia de ruido en pantalla,
permiten una detección óptima de la discontinuidad y favorecen a la correcta
evaluación de las mismas. Cabe destacar que en el caso del espécimen de
estudio no fue posible detectar las discontinuidades ubicadas a profundidades
mayores debido a la longitud del mismo, por lo cual este resultado no significa
que el palpador de 45º no sea capaz de detectar discontinuidades presentes en el
riel a profundidades mayores a 80mm.
c. Espécimen Nº1, palpador 60º, 5MHz y diámetro 18mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 2 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 60º, se pudo detectar la discontinuidad A ubicada a
20mm de la superficie del riel y la discontinuidad B ubicada a 40mm. Los ecos
correspondientes a dichas discontinuidades alcanzaron una amplitud de 80 y
132
40% respectivamente, al igual que en el caso anterior, estos porcentajes de
altura de pantalla aunados a la inexistencia de señales provenientes de ruido,
permiten una detección óptima de la discontinuidad y favorecen a la correcta
evaluación de las mismas. En el caso del palpador de 60º, sólo fue posible
detectar las discontinuidades ubicadas a una profundidad de hasta 40mm, ya
que el espécimen no tiene la longitud necesaria para comprobar si el palpador
es capaz de detectar las discontinuidades artificiales ubicadas a profundidades
mayores, por esta razón el resultado de este ensayo no limita el alcance ni la
detectabilidad del palpador.
d. Espécimen Nº1, palpador 70º, 5MHz y diámetro 18mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 2 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 70º, se pudo detectar la discontinuidad A ubicada a
20mm de la superficie del riel y las discontinuidades B y C, para detectar las
dos últimas se coloco el palpador por un costado del espécimen, es por ello que
las profundidades correspondientes a las misma para el caso de este ensayo,
fueron 32 y 35% respectivamente. Los ecos generados por las discontinuidades
alcanzaron una amplitud de 60% en el caso de la discontinuidad A, 30% en la B
y 20% en la C, no se observó presencia de señales de ruido ni señales parásitas,
lo cual sumado a la altura considerable de los ecos mostrados en pantalla,
permite una detección óptima de la discontinuidad y favorecen a la correcta
evaluación de las mismas. En este ensayo la longitud del espécimen también
represento una limitante al momento de la inspección, ya que para este palpador
los caminos sónicos recorridos para detectar las discontinuidades es
aproximadamente tres veces la profundidad de ubicación de la discontinuidad,
por esta razón el resultado de este ensayo no limita el alcance ni la
detectabilidad del palpador, al igual que para los casos anteriores con
palpadores angulares.
e. Espécimen Nº 3, palpador 45º, 5MHz y diámetro 18mm
133
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 3 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 45º y con un nivel de ganancia de 54dB, se pudo
detectar la discontinuidad K, ubicada a 22 milímetros por debajo de la
superficie de rodadura del riel. El eco correspondiente a dicha discontinuidad
alcanzo una amplitud de 20%.
f. Espécimen Nº 3, palpador 45º, 2,25 MHz y diámetro 13mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 1 con el palpador de 2,25MHz
adaptado a la zapata de 45º y con un nivel de ganancia de 47dB, se pudo
detectar las discontinuidades K y L ubicadas a 22 mm por debajo de la rodadura
del riel y en el fondo de la pieza respectivamente. Los ecos correspondientes a
dichas discontinuidades alcanzaron una amplitud de 80% en el caso de la
discontinuidad K y 20% en el caso de la L, la capacidad de detectabilidad de
este palpador considerando el alto nivel de atenuación que se produce en la
soldadura producto de la estructura de grano grueso, sumado a la amplitud y
uniformidad de los ecos, así como a la poca presencia de ruido en pantalla,
permiten una detección óptima de la discontinuidad y favorecen a la correcta
evaluación de las mismas.
g. Espécimen Nº 3, palpador 60º, 5MHz y diámetro 18mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 3 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 60º, se pudo detectar la discontinuidad K ubicada a
22mm de la superficie del riel, el eco correspondiente a dicha discontinuidad
alcanzó una amplitud de 20% , se observó una amplitud promedio de ruido de
2%. Este palpador puedo considerarse como opcional al momento de realizar la
inspección, ya que sólo permite evaluar el hongo del riel, zona que puede
evaluarse con el ángulo de 70º.
134
h. Espécimen Nº 3, palpador 70º, 5MHz y diámetro 18mm
En el ensayo realizado sobre el espécimen Nº 3 con el palpador de 5MHz
adaptado a la zapata de 70º, se pudo detectar las discontinuidades K y M
ubicadas en el hongo y en el ala del patín respectivamente. Los ecos generados
por las discontinuidades alcanzaron una amplitud de 28% en el caso de la
discontinuidad K y 30% en el caso de la M, se observó presencia de ruido con
amplitud promedio de 9% .Este ángulo de palpador permite la evaluación del
hongo y de las alas del patín, por lo cual es de suma importancia durante la
inspección debido a lo problemática de estas zonas en cuanto a la defectología
típica de los rieles.
3. Técnica transmisión. Palpador doble cristal
a. Espécimen Nº1. Palpador 2MHz y diámetro 18mm
Al ensayar el espécimen Nº2 con el palpador doble cristal de 2MHz de
frecuencia, se logró detectar discontinuidades ubicadas a profundidades de
hasta 60mm, con un rango de amplitud de ecos entre 18% y 75%, un ruido
promedio de 8% de altura de la pantalla y un eco de fondo al inspeccionar en
una zona sana de X%. A medida que aumenta la profundidad de ubicación de
las discontinuidades, aumenta a su vez la amplitud del eco de fondo, esto es
debido a la divergencia del haz, lo cual hace que menor cantidad de energía
incida sobre la discontinuidad y mayor cantidad de energía sea reflejada por el
fondo del riel. Este palpador ofrece buenas características para la inspección de
la pieza en la zona del hongo y en la unión hongo-alma.
b. Espécimen Nº1. Palpador 4MHz y diámetro 25mm
En el ensayo realizado con el palpador doble cristal de 4MHz, fue posible
detectar todas las discontinuidades presentes en el espécimen Nº2, como se
muestra en las figuras 4.62-4.69 la amplitud de los ecos correspondientes a las
mismas oscilaron entre 4% y 42% de la altura de la pantalla, y se observo una
135
amplitud promedio de ruido de 4%. El eco de fondo durante la inspección de las
discontinuidades se mantuvo en un rango entre 41% y 45%, es decir, no mostro
variaciones considerables, a excepción del caso de la discontinuidad F, donde el
eco de fondo alcanza una amplitud de 81% de la pantalla. Del mismo modo al
evaluar una zona sana del espécimen, el eco de fondo observado en pantalla
alcanzó una altura de X%. Este palpador ofrece muy buenos resultados para la
inspección del alma del riel, lo cual representa un aspecto a considerar al
momento de seleccionar el palpador.
4.8 Comparación de las señales
Para facilitar la comparación de las señales obtenidas en pantalla en cada uno
de los ensayos realizados, se registraron los valores correspondientes a la
amplitud de los ecos generados por cada discontinuidad en tablas, para así
contrastar los resultados y luego poder seleccionar los parámetros que
generaron los mejores resultados.
1. Comparación de los resultados obtenidos con el palpador de
2.25MHz(Ø13mm) con pulsador modo alto y modo bajo
Tabla 4.3 Palpador 2,25 MHz, % de Ganancia 36dB
Discontinuidad Pulsador modo bajo [%] Pulsador modo alto [%]
A 23 80
B 19 58
C 10 30
D 5 23
E 3 18
F ---- 12
G ---- 10
Como se observa en la tabla 4.3, para las señales obtenidas en el ensayo con el
palpador de 2,25 MHz con el pulsador en modo bajo, el rango de amplitud de
136
los ecos fue pequeño, entre 3% y 23%, mientras que con el pulsador en modo
alto el rango de amplitud de las señales oscila entre 10% y 80%, el cual es
considerablemente mayor, esto facilita la lectura y el análisis de las señales,
además permite detectar discontinuidades a lo largo de los 160mm del riel, a
diferencia del primero, el cual luego de la discontinuidad a 120mm, no mostro
ninguna respuesta en pantalla al evaluar la el reflector ubicado en 140mm, en
otras palabras, el palpador muestra mayor sensibilidad cuando se trabaja con el
pulsador en modo alto, por esta razón se descarta trabajar con el palpador con
pulsador en modo bajo para la inspección.
2. Comparación de los resultados obtenidos con el palpador de
5MHz(Ø13mm) con pulsador modo alto y modo bajo
Tabla 4.4 Palpador 5 MHz, % de Ganancia 36dB
Discontinuidad Pulsador modo bajo [%] Pulsador modo alto [%]
A 98 >100
B 55 60
C 33 43
D 10 26
E 20 20
F 15 18
G 12 16
Como se observa en la tabla 4.4, para las señales obtenidas en el ensayo con el
palpador de 5 MHz con el pulsador en modo bajo, el rango de amplitud de los
ecos fue alto, entre 12% y 98%, y con el pulsador en modo alto el rango de
amplitud de las señales oscila entre 18% y 100%, en promedio hay una
diferencia de 10% entre los ecos correspondientes a la misma discontinuidad al
ser evaluada con los dos modos del pulsador, en ambos se facilita la lectura y el
análisis de las señales, así como también es posible detectar discontinuidades a
lo largo de los 160mm del riel. La diferencia entre las respuestas en pantalla
mostradas en ambos modos, se observa en la presencia de ruido o grama, para
137
el caso del palpador en modo bajo la amplitud promedio de estas señales es de
6% y su presencia es escasa, mientras que en el caso del palpador en modo alto
la amplitud promedio es de 12% y dichas señales aparecen a lo largo de toda la
escala de distancia de forma repetitiva, al tener una grama con estas
características, es posible confundir alguna de las señales producto del ruido
con señales provenientes de discontinuidades, lo cual daría lugar al registro de
falsas indicaciones durante la inspección, así como también podría enmascarar
discontinuidades, que al no detectarse representarían un riesgo, por estas
razones se descarta trabajar con el palpador con pulsador en modo alto para la
inspección.
3. Comparación de los resultados obtenidos con el palpador de
2,25MHz(Ø13mm) con pulsador modo alto y con el palpador de
5MHz(Ø13mm) en modo bajo, para el espécimen Nº1
Tabla 4.5 Comparación Palpadores 2,25MHz-5MHz
Discontinuidad
observada
Amplitud de la señal
Palpador 2,25MHz [%]
Amplitud de la señal
Palpador 5MHz [%]
A 80 98
B 58 55
C 30 33
D 23 10
E 18 20
F 12 15
G 10 12
Luego de haber comparado las respuestas obtenidas con cada palpador al variar
el modo del pulsador, y haber descartado la utilización del palpador de
2,25MHz en modo bajo y el de 5MHz modo alto, se procederá a comparar los
resultados del ensayo efectuado con el palpador de 2,25MHz en modo alto y
con el de 5MHz en modo bajo, para analizar las ventajas y desventajas que
poseen cada uno de ellos al momento de inspeccionar los rieles.
138
El primer aspecto a comparar es la respuesta obtenida en pantalla durante el
ensayo, como se muestra en la tabla 4.5, el palpador de 2,25MHz proporciona
ecos con amplitudes comprendidas entre 12% y 80%, y el de 5 MHz entre 12%
y 98% de la altura de la pantalla, en este sentido se observa que a medida que
aumenta la profundidad a la que se encuentra ubicada la discontinuidad
inspeccionada, disminuye la diferencia de amplitud entre los ecos mostrados en
pantalla para cada palpador, esto se debe a la relación existente entre la
frecuencia del palpador y el coeficiente de atenuación, en la tabla 4.1 se
muestra el valor de los coeficientes de atenuación para cada uno, donde el
coeficiente para el palpador de 5MHz es mayor que para el de 2,25MHz, por lo
dicho anteriormente.
Otro parámetro a comparar es la sensibilidad, la cual depende de la longitud de
onda, para el caso de 5MHz la longitud de onda es menor que para el caso de
2,25MHz, ya que a mayor frecuencia la longitud de onda disminuye, esto
significa que el palpador de 5MHz es más sensible que el de 2,25MHz, por lo
cual permitirá detectar discontinuidades de menor tamaño y mayor
profundidad.
En el punto 4.6, se realizó también el cálculo del SNR, este valor resultó ser
muy parecido en ambos casos, 0.8 en el caso de 2,25MHz y 0.79 en el caso de
5MHz, por esta razón la amplitud de la grama no es un factor determinante para
la selección del palpador.
Una vez evaluado lo anterior, se concluye que ambos palpadores permiten
realizar una buena inspección del riel, sin embargo se considera que lo ideal es
utilizar al momento de inspeccionar el palpador de menor frecuencia
comprendida en un rango entre 2,25MHz y 5MHz.
139
4. Comparación de los resultados obtenidos durante el ensayo
con los palpadores normales de 2,25 MHz(Ø13mm) y 5 MHz(Ø13mm)
Se omitió el registro de los datos en tabla, ya que en el caso del Bloque de
referencia de la soldadura aluminotérmica sólo existe una discontinuidad
observable con palpador de tipo normal, para el caso del palpador de 2,25MHz
el eco correspondiente al reflejo de la energía sobre la discontinuidad K,
alcanzó un 80% de altura de pantalla, mientras que al utilizar el palpador de
5MHz se obtuvo un eco de 40%, esto es debido a la atenuación del haz
ultrasónico dentro de la soldadura.
5. Comparación de los resultados obtenidos durante el ensayo
del espécimen Nº 1 con el palpador de 2,25(Ø13mm) y 5 MHz(Ø18mm) a
45º
Tabla 4.6 Palpadores de 45ª. Ensayo sobre el espécimen Nº1
Discontinuidad
observada
Amplitud de la señal
Palpador 2,25MHz/45º/45dB[%]
Amplitud de la señal
Palpador 5MHz/45º/44dB [%]
A 80 80
B 60 40
C 45 20
D 30 ----
Al comparar los resultados obtenidos al evaluar el riel con los palpadores de
45º, variando la frecuencia y el diámetro, se observo que empleando el palpador
de 2,25MHz fue posible detectar discontinuidades mas alejadas de la superficie
del espécimen Nº1 como es el caso del reflector D, a diferencia del palpador de
5MHz, con el cual se pudo detectar hasta la discontinuidad C, cabe destacar que
para el segundo caso no fue posible comprobar si el palpador es capaz de
detectar reflectores de 2mm de diámetro a profundidades mayores por efectos
de la longitud del riel, por esta razón este parámetro no es determinante para la
selección del palpador. En ambos ensayos al detectar la discontinuidad A, se
ajustó el nivel de ganancia para que el eco correspondiente al reflejo de la
energía sobre la misma alcanzara un 80% ATP, en el caso de el palpador de
140
2,25MHz el nivel de ganancia requerido fue de 44dB, mientras que para 5MHz
fue de 45dB, el 1dB de diferencia entre ambos casos es producto de la
atenuación de la señal ultrasónica, por ser una diferencia muy pequeña no es
posible evaluar el efecto de la atenuación, sin embargo al estudiar el
comportamiento de los ecos para reflectores a profundidades mayores se
comprueba que el palpador de 2,25 MHz, proporciona ecos de mayor amplitud
(con una diferencia de hasta 20% ATP respecto a los ecos obtenidos con el
palpador de 5MHz). Por último comparando la presencia de señales de ruido o
parásitas en las respuestas, en el caso de 5MHz no se observa presencia de
ruido mientras que para 2,25MHz aparece en pantalla ruido con un promedio de
5% ATP, no obstante como comparado con la amplitud de los ecos este
porcentaje de amplitud de ruido no afecta la lectura de las respuestas en
pantalla, el palpador de 2,25MHz representa la mejor opción para la evaluación
a 45º del riel.
6. Comparación de los resultados obtenidos durante el ensayo del
espécimen Nº 3 con el palpador de 2,25MHz(Ø13mm) y 5 MHz(Ø18mm)
a 45º
Tabla 4.7 Palpadores de 45ª. Ensayo sobre el espécimen Nº3
Discontinuidad
observada
Amplitud de la señal
Palpador 2,25MHz/45º/47dB[%]
Amplitud de la señal
Palpador 5MHz/45º/54dB [%]
K 80 80
L 20 ----
Al comparar los resultados obtenidos al evaluar el riel con los palpadores de
45º, variando la frecuencia y el diámetro, se observo que el palpador de
2,25MHz fue capaz de detectar discontinuidades mas alejadas de la superficie
del espécimen Nº3 como es el caso del reflector L, a diferencia del palpador de
5MHz, el cual sólo detectó la discontinuidad K. Con este resultado se
comprueba que a pesar de que el aumento de la frecuencia aumenta el poder del
141
palpador para detectar discontinuidades más alejadas y de menos tamaño, para
el caso de la soldadura este parámetro se ve desplazado los efectos de la
atenuación, ya que la estructura de la soldadura AT es de grano grueso, y se
sabe que a mayor frecuencia y mayor tamaño de grano, mayor coeficiente de
atenuación de la energía ultrasónica.
7. Comparación de los resultados obtenidos con los palpadores de tipo
doble cristal de 2MHz y 4MHz, para el espécimen Nº1
Tabla 4.8 Palpadores Doble Cristal, % de Ganancia 52dB
Discontinuidad Amplitud de la señal
Palpador 2MHz [%]
Amplitud de la señal
Palpador 4MHz [%]
A 74 19
B 29 42
C 19 39
D ---- 27
E ---- 18
F ---- 9
G ---- 4
Al contrastar las amplitudes de los ecos obtenidas al ensayar el espécimen Nº 1
con ambos palpadores, se observan ciertas particularidades, la primera de ellas
es el eco proveniente de la discontinuidad A, el cual mostro mayor amplitud en
el ensayo de 2MHz, lo cual no se esperaba, ya que al encontrarse cercana a la
superficie la cantidad de energía atenuada es baja y por ende el eco deberá
poseer mayor amplitud para la mayor frecuencia, 4 MHz en el caso de estudio,
este fenómeno puede deberse a que entre los palpadores utilizados no sólo varía
la frecuencia sino el diámetro, el cual es otro parámetro que influye de manera
directa en el fenómeno de transmisión de la energía. Por otro lado se observa
que con la frecuencia de 4MHz fue posible detectar todas las discontinuidades
existentes en espécimen evaluado, con ecos de alturas considerables (4-42%), a
excepción de las discontinuidades ubicadas en 120mm y 140mm, lo cual puede
ser producto también del diámetro del palpador, ya que al ser más grande que el
ancho del alma, parte del haz ultrasónico se pierde al chocar con la unión
142
hongo-patín, de este modo el porcentaje de energía que viaja a través del alma
es menor a la energía total y producto de la atenuación produce ecos de baja
altura.
Por estas razones se concluye que en el caso ideal, deberá utilizarse para la
inspección mediante palpador doble cristal, una frecuencia de 4MHz
combinado con un diámetro de 18 mm o menos, para asegurar de este modo el
contacto entre el palpador y la superficie de rodadura del riel .
4.9 Selección de los palpadores y las zapatas
Una vez analizados cada uno de los ensayos realizados sobre los distintos
especímenes, y comparadas las diferentes opciones para la inspección de los
mismos, se seleccionaron aquellos elementos con los cuales se obtuvo los
mejores resultados, para su inclusión dentro del protocolo de inspección.
Para la inspección mediante la técnica de pulso-eco con palpador normal de
ondas longitudinales se seleccionó en el caso del riel los palpadores de 2,25
MHz con modo de pulsador alto y 5MHz con modo del pulsador bajo, ya que
para ambos las características de las respuestas obtenidas en pantalla resultan
optimas para la detección y posterior evaluación de las discontinuidades. En el
caso de la soldadura aluminotérmica, se seleccionó el palpador de 2,25 MHz,
por ser el que arrojo mejores resultados al momento del ensayo.
Para la inspección mediante la técnica de pulso-eco con palpador angular del
riel y de la soldadura AT, se seleccionaron como ángulos de inspección 45º, 60º
y 70º, combinados con el palpador de 2,25MHz (Ø13mm) en el caso de 45º y
con el de 5MHz (Ø18mm) para 60º y 70º.
Para la inspección mediante la técnica de transmisión con palpador de tipo
doble cristal, se seleccionó el palpador de 4MHz, con la salvedad de que para el
protocolo se debe disminuir el diámetro del mismo para obtener mejores
resultados.
143
4.10 Elaboración de las curvas DAC
A continuación se muestras las curvas DAC obtenidas mediante el
procedimiento descrito en el apartado 3.12 para los palpadores y sus
respectivas zapatas previamente seleccionadas. Se realizaron las curvas para
100%, 50% y 20% de la altura de la misma, con el fin de estimar el tamaño o
gravedad de la discontinuidad encontrada, así como establecer un criterio para
su aceptación o rechazo, el cual se detalla a continuación:
I. Si el eco de la discontinuidad se ubica por encima de la curva DAC a
100%, el riel debe ser rechazado (reemplazado).
II. Si el eco de la discontinuidad se ubica entre la DAC a 100% y la DAC a
50%, se considera necesario evaluar la discontinuidad con algún otro
método de ensayo no destructivo para determinar su gravedad.
III. Si el eco de la discontinuidad se ubica entre la DAC a 50% y la DAC a
20%, no se considerará la misma como un defecto, sin embargo se debe
hacer un seguimiento a su evolución y/o propagación.
IV. Si el eco de la discontinuidad se ubica por debajo de la curva DAC a
20%, significa que la misma se encuentra muy por debajo del tamaño
crítico para ser considerada un defecto.
Figura 4.72 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz en el riel.
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
144
Mediante el uso del gráfico 4.1 se puede evaluar el riel en toda su extensión
(Hongo, alma y región central del patín).
Figura 4.73 Curvas DAC para Palpador 5 MHz en el riel.
Al igual que el caso anterior, haciendo uso de gráfico 4.2 se puede evaluar el
riel en toda su extensión.
Figura 4.74 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45 grados en el riel.
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 20%
DAC a 50%
145
Mediante el palpador de 2,25 MHz con una zapata de 45 grados se puede
inspeccionar el riel en toda su extensión, sin embargo, el gráfico 4.3 permite
evaluar discontinuidades presentes en el riel hasta una profundidad de 80
milímetros, debido a que la elaboración de las curvas estuvo limitado a las
dimensiones del espécimen N°1.
Figura 4.75 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45 grados en la Soldadura.
Mediante el uso del gráfico 4.4 se pueden evaluar discontinuidades presentes en
la soldadura aluminotérmica en toda su extensión (Hongo, alma y región central
del patín). Cabe destacar que las curvas de este gráfico son aproximadas, pues
sólo se dispuso de dos puntos para la elaboración de la misma.
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
146
Figura 4.76 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 60 grados en el riel
Mediante el uso del gráfico 4.5 se podrá examinar el hongo y la unión hongo-
alma del riel.
Figura 4.77 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 70 grados en el riel
Mediante el palpador de 5 MHz con una zapata de 70 grados se puede
inspeccionar la región hongo y unión hongo-alma, sin embargo, el gráfico 4.6
permite evaluar discontinuidades presentes en el riel hasta una profundidad de
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
147
30 milímetros, debido a que la elaboración de las curvas estuvo limitado a las
dimensiones del espécimen N°1.
Para la evaluación de zonas tales como las alas del patín o la cabeza del riel
mediante zapatas de 70 grados, se utilizarán otros criterios que se especificarán
en el protocolo de inspección.
4.10 Evaluación de especímenes
1. Evaluación del espécimen N°2
a. Discontinuidad H
Figura 4.78 discontinuidad H con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm).
En la figura 4.72 se muestra un primer eco con una amplitud mayor al 100%
ATP lo cual corresponde a una discontinuidad de acuerdo a lo establecido por
el Criterio I. Además se observan ecos sucesivos con amplitud considerable y
asimismo se nota la ausencia de eco de fondo lo cual indica que se trata de una
discontinuidad de tamaño considerable, pues todo el haz ultrasónico incide
sobre ella.
148
b. Discontinuidad I
Figura 4.79 Discontinuidad I con palpador normal 2,25 MHz (Ø13mm).
En la figura 4.73 se observa un eco a 80 milímetros con una amplitud de 40%
ATP y haciendo uso del gráfico 4.1 se puede clasificar la discontinuidad de
acuerdo al criterio II el cual establece que debe inspeccionarse la discontinuidad
con alguna otra técnica que permita una mejor evaluación de la misma.
2. Evaluación de espécimen N°4
Al evaluar el espécimen N°4 se obtuvieron los siguientes resultados:
a. Grieta A
Figura 4.80 Grieta A con palpador normal 2,25 MHz(Ø13mm).
149
En la figura 4.74 se muestra el eco correspondiente a la grieta A con una
amplitud de 26% ATP. Al comparar este eco con el gráfico 4.1 se observa que
éste se encuentra por debajo de la curva DAC a 100%, lo cual corresponde al
criterio II antes mencionado, sin embargo, cabe destacar la ausencia de eco de
fondo lo cual indica que el tamaño de la discontinuidad es lo suficientemente
grande como para que la totalidad del haz ultrasónico sea reflejado sobre ésta.
Lo planteado anteriormente indica que se trata de una grieta transversal ya que
debido a la amplitud del eco obtenido se intuye que solo un porcentaje de la
energía incidió de manera perpendicular en la grieta. Para su correcta
evaluación, se procede a utilizar un palpador angular (con ángulo de refracción
entre 35 a 45 grados).
Figura 4.81 grieta A con palpador angular de 45° y 2,25MHz.(Ø13mm)
Al examinar la grieta A con el palpador de 2,25 MHz y zapata de 45°, se
obtuvo un eco con amplitud mayor a 100% ATP y al comparar con el gráfico
4.3 se observa que éste se encuentra muy por encima de la curva DAC a 100%
, por tal motivo aplicando el criterio I, se considera dicha grieta como un
defecto.
150
b. Grieta B
Figura 4.82 Grieta B con palpador normal 2,25 MHz(Ø13mm).
En la figura 4.76 se muestran dos ecos a 50 y 100 milímetros y con amplitudes
mayores a 100% ATP y 55% ATP respectivamente. Esto indica que toda la
onda ultrasónica está siendo reflejada por la grieta B. Al comparar este eco con
la gráfica 4.1 se observa que éste se encuentra muy por encima de la curva
DAC a 100%, de manera que al aplicar el criterio I, se considera dicha grieta
como un defecto.
c. Grieta C
Figura 4.83 grieta C con palpador angular de 45° y 2,25MHz.
Al evaluar la grieta C como se muestra en la figura 4.77 se observa un eco de
amplitud 80% ATP y ausencia de eco de fondo, lo cual indica que se trata de
una grieta de gran tamaño y que al comparar con el gráfico 4.4 se puede
comprobar, mediante el criterio I, que se trata de un defecto.
151
CAPÍTULO V
PROTOCOLO DE INSPECCIÓN
5.1 Objetivo
El presente protocolo tiene como finalidad desarrollar una forma de realizar la
detección de las discontinuidades superficiales e internas presentes en rieles
nuevos luego de ser instalados y soldados mediante el proceso de soldadura
aluminotérmica y su posterior evaluación con base en los criterios de
aceptación y rechazo aplicables a rieles ferroviarios, a través de la inspección
visual y la inspección manual por ultrasonido.
5.2 Alcance
Este protocolo es aplicable a la inspección visual y por ultrasonido de los
siguientes elementos de la vía férrea:
1. Rieles fabricados en acero de perfil UIC 54/60, cuya forma y
dimensiones se especifican en el Apéndice 1.
2. Uniones de rieles soldadas aluminotérmicamente.
El procedimiento permitirá la detección y evaluación de discontinuidades
tanto internas como superficiales presentes en los elementos antes
mencionados.
Este procedimiento no es aplicable para otros métodos de unión de rieles
como:
1. Soldadura por arco eléctrico.
2. Soldadura oxiacetilénica.
152
5.2 Código, Normas y documentos aplicables
AENOR. Aplicaciones ferroviarias, Vía. Parte 1: Carriles: Vignole de
masa mayor o igual a 46 Kg/m. UNE EN 13674-1:2006+A1. Madrid:
AENOR, 2006..
AREMA. Manual de ingeniería ferroviaria. Capitulo 4: Rieles (Manual
for Railway Engineering. Chapter 4: Rail). Lanham, 2006.
ASME. Calderas y recipientes a presión como un estándar nacional
americano. Sección V: Ensayos no destructivos (Boiler and Pressure
Code an American National Standard. Section V: Non destructive
Examination). 2010.
FONDONORMA. Ensayos no destructivos. Ultrasonido. Calibración de
equipos ultrasónicos. Métodos pulso-eco (Bloque patrón V1). COVENIN
2631-89. Caracas, 1989.
FONDONORMA. Ensayos no destructivos Ultrasonido. Bloques patrón
de calibración. COVENIN 2630-89. Caracas, 1989.
FONDONORMA. Ensayos no destructivos ultrasonido. COVENIN 318-
84. Caracas, 1984.
FONDONORMA. Ensayo de ultrasonido. Método de contacto mediante
ondas longitudinales pulsantes. COVENIN 1196-81. Caracas, 1981.
5.4 Requisitos y calificación del personal
La inspección deberá ser realizada por inspectores calificados en el método de
ultrasonido de acuerdo con los requisitos establecidos en la Práctica
Recomendada de la norma ISO 9712 o el equivalente.
El personal calificado y certificado como nivel I, podrá ejecutar el
procedimiento de inspección siempre y cuando sea supervisado directamente
por un nivel II o nivel III, este no podrá evaluar los resultados obtenidos en
dicha inspección.
153
La evaluación de los resultados de la inspección estará a cargo de un inspector
nivel II, mientras que cualquier modificación del presente protocolo sólo podrá
ser realizada por un inspector certificado nivel III.
5.5 Descripción de la pieza
Las piezas a las cuales aplica la inspección bajo este protocolo corresponden a
rieles ferroviarios con perfiles UIC-54 o UIC-60, fabricados en acero mediante
un proceso de laminado cuya geometría y dimensiones (dadas en milímetros) se
muestran en el Apéndice 1.
Figura 5.1 Esquema de la pieza
5.6 Descripción del equipo
Equipo de Ultrasonido
El equipo utilizado para la inspección debe disponer, como mínimo, de las
siguientes características:
Pantalla con presentación Barrido-A.
Campo seleccionable en pasos fijos o continuamente variables entre
10 mm y 500 mm.
Velocidad ajustable.
154
Retardo ajustable.
Control de ganancia de 0 a 100dB, con pasos seleccionable al menos
entre 0.5dB a 6dB.
Capacidad de operar bajo las técnicas de pulso-eco y de transmisión.
Compuerta controlable a lo largo de toda la pantalla, en cuanto a rango
y amplitud se refiere, con alarma audible y/o visual.
Memoria para almacenar las diversas lecturas y formas de eco
(Preferible).
Palpadores
Se debe contar con los siguientes palpadores:
Palpadores normales de ondas longitudinales: Debe disponerse de
palpadores con un rango de frecuencia nominal entre 2,25 y 5 MHz y
diámetro de 13mm.
Palpadores angulares: Debe disponerse de palpadores angulares con
ángulos de refracción de 45º, 60º y 70º con diámetros y frecuencias
nominales en los rangos indicados anteriormente.
Palpadores de tipo doble cristal: Debe disponerse de un palpador de
doble cristal con frecuencias comprendidas entre 2 y 4 MHz, y
diámetro de 18 mm
Bloques de calibración
Se deben disponer con los siguientes bloques normalizados:
Bloque de calibración IIW-V1: para la calibración en distancia de los
palpadores normales y angulares y para la verificación del ángulo de la
zapata y de la resolución del palpador normal. (Apéndice 2)
Bloque Escalonado para la calibración en distancia de los palpadores
doble Cristal. (Apéndice 2)
155
Bloques de referencia: rieles con discontinuidades artificiales de
dimensiones conocidas en el hongo, alma y patín como los indicados en
el Apéndice 3.
Acoplante
El acoplante seleccionado puede ser una un aceite de baja viscosidad,
vaselina o cualquier otro que sea totalmente inerte con la superficie del
acero y cuya remoción se pueda realizar con facilidad.
Materiales de limpieza
Paños.
Desengrasantes.
Cepillos.
5.7 Preparación de la superficie
Antes de proceder a la inspección, es necesaria una limpieza de las superficies a
evaluar. Con este fin, se hará uso en el caso de la limpieza del riel, de paños de
pelo corto y desengrasantes que no reaccionen con el acero del riel. El uso de
cepillos de alambre es permitido en el caso de la soldadura aluminotérmica para
la remoción de escoria.
5.8 Procedimientos de calibración
Antes de proceder a realizar la inspección de los rieles, el inspector debe
verificar el buen funcionamiento del equipo. Previo a la calibración del equipo
en distancia, se debe verificar la linealidad vertical:
1. Utilizando un palpador normal, obtener diez ecos del bloque de
calibración.
2. Seleccionar alguno de los ecos y llevar su altura al 80% de la pantalla.
3. Registrar las amplitudes de los ecos posteriores al seleccionado.
156
4. Mediante los controles de ganancia, reducir la altura del eco
inicialmente seleccionado a 40% de la pantalla.
5. Los demás ecos deben ver reducida su amplitud a la mitad. De no
suceder, el equipo no tiene linealidad vertical.
5.8.1 Palpador normal
Se debe verificar la calibración del equipo y resolución del palpador.
5.8.1.1 Calibración en distancia
1. Aplicar acoplante en la superficie del bloque V-1.
2. Ajustar el rango del equipo en 100 mm.
3. Colocar el palpador sobre la superficie del bloque, tal como se muestra
en la figura 5.2a, para la medición del espesor de 25mm.
4. Ajustar la posición de los ecos, de modo que el valor de la distancia
entre ellos mostrada en la escala de la pantalla, coincida con el valor
del espesor medido (Ver figura 5.2b). Para dicho ajuste hacer uso de
los parámetros de retardo y velocidad, manteniendo siempre el impulso
inicial en el cero de la pantalla.
(b) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura5.2 Calibración en distancia (Hasta 500mm) con palpador normal
5.8.1.2 Verificación de la resolución
1. Colocar el palpador sobre el bloque V-1, en la posición que se muestra
en la figura 5.3a.
157
2. Verificar que la pantalla del equipo muestre los tres ecos
correspondientes a los espesores de 85, 91mm y 100mm. (Ver figura
5.3b).
(b) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura 5.3 Verificación de la resolución del palpador
5.8.2 Palpador angular
Calibración en distancia y verificación del punto y ángulo de salida del haz.
5.8.2.1 Calibración en distancia
1. Aplicar acoplante en la superficie del bloque V-1.
2. Ajustar el rango del equipo en 250 mm.
3. Colocar el palpador sobre la superficie del bloque, como se muestra en
la figura 5.5a, para la medición del radio de 100mm.
4. Ajustar el retardo y la velocidad del equipo, de tal modo que:
El primer eco correspondiente al impulso inicial (main bang), se
encuentre ubicado en el 0 de la escala mostrada en pantalla.
Los dos ecos sucesivos, correspondientes al radio de 100mm, se
encuentren ubicados en los valores de 100 y 200mm, de la escala de
medición, respectivamente (Ver figura 5.b).
158
(b) Ubicación del palpador (b) Respuesta mostrada en pantalla
Figura 5.4 Calibración en distancia con palpador angular
5.8.2.2 Verificación del ángulo de salida del haz
1. Colocar el palpador sobre el bloque V-1, como se muestra en la figura
5.X, de acuerdo al ángulo de la zapata se ubica según la posición “a” o
“b”.
2. Mover el palpador hasta obtener el eco con mayor amplitud mostrado
en pantalla.
3. Verificar que el ángulo señalado en la escala del bloque según la
ubicación del palpador, coincidida con el ángulo de la zapata.
Figura 5.5 Verificación del ángulo de salida de la zapata
5.8.3 Palpador doble cristal
5.8.3.1 Calibración en distancia
1. Colocar el equipo en transmisión.
159
2. Ajustar el rango de medición del equipo de tal modo que permita
observar el eco correspondiente al lado de mayor espesor del bloque de
calibración.
3. Aplicar acoplante y coloque el palpador sobre el bloque de modo que
este registre el eco correspondiente al menor espesor.
4. Ajustar el retardo de manera tal, que el eco correspondiente al menor
espesor coincida con dicho valor en la escala mostrada en pantalla.
5. Ajustar el valor de ganancia hasta obtener un eco de amplitud
considerable.
6. Colocar el palpador sobre el lado de mayor espesor.
7. Ajustar la velocidad del equipo de manera tal que el eco mostrado en
pantalla coincida con el valor del espesor medido.
8. Repetir los pasos del 3 al 7, hasta que ambos ecos estén correctamente
posicionados.
5.9 Desarrollo de la inspección
El siguiente procedimiento es aplicable para la técnica de pulso-eco y
transmisión mediante el uso de equipos manuales de ultrasonido.
Antes de la inspección se deben tomar en cuenta los siguientes aspectos:
1. Verificar la condición de la batería del equipo. Se recomienda realizar
la inspección con la batería totalmente cargada.
2. Verificar el correcto funcionamiento de todos los controles del equipo:
ganancia, rango, retardo, compuerta, filtros pasa bajo, etc.
3. Verificar el correcto funcionamiento de los cables y palpadores.
4. Calibrar el equipo ultrasónico antes de realizar la inspección, mediante
el procedimiento expuesto en el apartado 5.8.
160
5.9.1 Inspección visual
Mediante el examen visual de los rieles y de la soldadura aluminotérmica, se
podrá detectar desalineamiento de las superficies, grietas superficiales, rechupes
y abolladuras.
La inspección visual debe hacerse de manera directa, observando el riel a una
distancia de aproximadamente 60 centímetros y con ángulo de visión de 45
grados respecto a la superficie a evaluar. La unión soldada será rechazada ante
la presencia de cualquier grieta visible.
5.9.2 Inspección por ultrasonido en los rieles
5.9.2.1 Inspección con palpador normal
Esta inspección permite la detección de grietas horizontales en la cabeza, unión
cabeza-alma, alma y unión alma-patín. El procedimiento a ejecutar es el
siguiente:
a. Ajuste de sensibilidad:
1. Colocar el palpador en la superficie de rodadura del Bloque de
referencia A (Apéndice 3) direccionando el haz hacia el agujero de
2 milímetros de diámetro ubicado en la cabeza del riel a una
profundidad de 19 milímetros.
2. Aumentar la amplitud del eco obtenido hasta 80% de altura de
pantalla mediante el control de ganancia.
3. Sin variar la ganancia, mover el palpador a lo largo de la superficie
de rodadura del riel hasta detectar el agujero de 2 milímetros
ubicado en el patín (a 140 milímetros de profundidad) y verificar
en pantalla que el eco correspondiente al mismo posea una amplitud
no menor al 15%. Utilizar dicho valor de ganancia para la
inspección.
161
b. Procedimiento de inspección:
1. Colocar acoplante en la superficie de rodadura del riel para
asegurar una buena transmisión acústica y posteriormente situar el
palpador sobre la misma.
2. Realizar barridos longitudinales tomando como línea guía el eje
central del riel.
3. Realizar barridos transversales sobre la superficie del riel.
4. Tomar registro de lo observado durante la inspección.
5.9.2.2 Inspección con palpador angular de 45°
Esta inspección permita la detección de grietas transversales en el hongo, en el
alma y patín, grietas verticales en el patín, grietas en estrella en el agujero para
las juntas mediante eclisas. El procedimiento a ejecutar es el siguiente:
a. Ajuste de la sensibilidad
1. Colocar el palpador en la superficie de rodadura del riel del Bloque
de referencia A, direccionando el haz hacia el agujero de 2
milímetros de diámetro ubicado en la cabeza del riel a una
profundidad de 19 milímetros.
2. Mover el palpador en dirección longitudinal hasta que la onda sea
reflejada por el agujero.
3. Aumentar la amplitud del eco obtenido hasta 80% de altura de
pantalla mediante el control de ganancia.
4. Sin variar la ganancia, mover el palpador a lo largo de la superficie
de rodadura del riel hasta detectar el agujero de 2 milímetros
ubicado en el alma a una profundidad de 80 milímetros y verificar
en pantalla que el eco correspondiente al mismo posea una amplitud
no menor al 36%. Utilizar dicho valor de ganancia para la
inspección.
162
b. Procedimiento de inspección
1. Colocar acoplante en la superficie de rodadura del riel y
posteriormente situar el palpador sobre la misma.
2. Realizar un barrido longitudinal a lo largo del riel, tomando como
línea de referencia el eje central de la misma.
3. De encontrar alguna discontinuidad realizar barridos rotacional para
observar el comportamiento del eco.
4. Tomar el registro de lo observado durante la inspección.
5.9.2.3 Inspección con palpador angular de 60°/70°
Esta inspección permite la detección de grietas transversales en el hongo del riel
y en la unión hongo-alma. El procedimiento a ejecutar es el siguiente:
a. Ajuste de sensibilidad
1. Colocar el palpador en la superficie de rodadura del riel del Bloque
de referencia A, direccionando el haz hacia el agujero de 2
milímetros de diámetro ubicado en la cabeza del riel a una
profundidad de 19 milímetros.
2. Mover el palpador en dirección longitudinal hasta que la onda sea
reflejada por el agujero.
3. Aumentar la amplitud del eco obtenido hasta 80% de altura de
pantalla mediante el control de ganancia.
4. Sin variar la ganancia, mover el palpador a lo largo de la superficie
de rodadura del riel hasta detectar el agujero de 2 milímetros
ubicado en el alma a una profundidad de 40 milímetros y verificar
en pantalla que el eco correspondiente al mismo posea una amplitud
no menor al 40%. Utilizar dicho valor de ganancia para la
inspección.
163
b. Procedimiento de inspección
1. Aplicar acoplante sobre la superficie de rodadura del riel y
posteriormente situar el palpador sobre la misma.
2. Realizar barridos longitudinales a lo largo del riel tomando como
referencia el eje central y líneas paralelas ubicadas a ambos lados
del eje a una distancia de 10 milímetros.
3. De encontrar alguna discontinuidad realizar barridos rotacional para
observar el comportamiento del eco.
4. Tomar registro de lo observa durante la inspección.
5.9.2.4 Inspección con palpador normal de 4 MHz doble cristal.
Esta inspección permite la detección de grietas horizontales muy cercanas a la
superficie de rodadura del riel (menor a 20 milímetros), grietas verticales en el
hongo y alma del riel. El ajuste de sensibilidad corresponde al empleado en el
apartado 5.9.2.1. El procedimiento a ejecutar es el siguiente:
1. Colocar acoplante sobre la superficie de rodadura del riel y sobre una
de las paredes laterales del hongo y del alma. Posteriormente situar el
palpador en dichas zonas.
2. Realizar barridos longitudinales y transversales en las zonas
mencionadas en el paso anterior.
3. Tomar registro de lo observado durante la inspección.
5.9.3 Inspección por ultrasonido en la soldadura aluminotérmica
5.9.3.1 Inspección con palpador normal de 2,25 MHz
Esta inspección permite la detección de porosidades, inclusiones de escoria y
grietas horizontales en la cabeza, alma y patín del. El ajuste de sensibilidad
corresponde al empleado en el apartado 5.9.2.1. El procedimiento a ejecutar es
el siguiente:
164
1. Colocar acoplante sobre la cabeza del riel de la junta soldada para
asegurar una buena transmisión acústica y posteriormente situar el
palpador sobre la misma.
2. Realizar barridos longitudinales sobre la superficie de rodadura del riel
en la junta soldada, tomando como guía el eje central del mismo
3. Realizar barridos transversales sobre la superficie de rodadura del riel
en la junta soldada.
4. Tomar registro de lo observado durante la inspección.
5.9.3.2 Inspección con palpador angular de 70 grados
Esta inspección permite la detección de grietas transversales en la cabeza, alma
y patín. El procedimiento a ejecutar es el siguiente:
a. Ajuste de sensibilidad
1. Colocar el palpador en la superficie de rodadura del riel del Bloque
de referencia B (Apéndice 3) direccionando el haz hacia el agujero
de 3 milímetros de diámetro ubicado en la cabeza del riel en la
unión soldada a una profundidad de 22 milímetros.
2. Mover el palpador en dirección longitudinal hasta que la onda sea
reflejada por el agujero.
3. Aumentar la amplitud del eco obtenido hasta 80% de altura de
pantalla mediante el control de ganancia.
4. Sin variar la ganancia, mover el palpador a lo largo de la superficie
de rodadura del riel hasta detectar el agujero de 3 milímetros
ubicado en el patín y verificar en pantalla que el eco
correspondiente al mismo posea una amplitud no menor al 20%.
Utilizar dicho valor de ganancia para la inspección.
165
b. Procedimiento de inspección
1. Colocar acoplante sobre la cabeza del riel para asegurar una buena
transmisión acústica y posteriormente situar el palpador a una
distancia ligeramente mayor a la altura del riel.
2. Realizar barridos en forma de zigzag en dirección a la soldadura.
3. De encontrar alguna discontinuidad realizar barridos rotacional para
observar el comportamiento del eco.
4. Tomar registro de lo observado durante la inspección.
Nota: el procedimiento debe realizarse a ambos lados de la soldadura.
5.9.3.3 Palpador angular de 45 grados
Esta inspección permite la detección de porosidades, inclusiones de escoria,
grietas transversales en la cabeza del riel, falta de fusión en las alas del patín. El
procedimiento a ejecutar es el siguiente:
a. Ajuste de la sensibilidad
1. Colocar el palpador en la superficie de rodadura del riel del Bloque de
referencia B, direccionando el haz hacia el agujero de 3 milímetros de
diámetro ubicado en la cabeza del riel de la junta soldada.
2. Mover el palpador en dirección longitudinal hasta que la onda sea
reflejada por el agujero.
3. Aumentar la amplitud del eco obtenido hasta 80% de altura de pantalla
mediante el control de ganancia. Utilizar dicho valor ganancia para la
inspección.
b. Procedimiento
1. Colocar acoplante sobre la cabeza del riel y sobre las alas del patín
para asegurar una buena transmisión acústica y posteriormente situar el
palpador sobre dichas zonas.
2. Realizar barridos en forma de zigzag en dirección a la soldadura.
166
3. De encontrar alguna discontinuidad realizar barridos rotacional para
observar el comportamiento del eco.
4. Tomar registro de lo observado durante la inspección.
Nota: el procedimiento debe realizarse a ambos lados de la soldadura.
5.10 Criterios de aceptación y rechazo
Se hará uso de las curvas DAC suministradas en este protocolo, las cuales
fueron realizadas con base en los Bloques de referencia fabricados de acuerdo a
la norma UNE-EN 13674 -1:2006+A1, para la evaluación de las
discontinuidades detectadas y su posterior aceptación o rechazo mediante la
aplicación de los siguientes criterios.
I. Si el eco de la discontinuidad se ubica por encima de la curva DAC
a 100%, la sección del riel o soldadura debe ser reparada
inmediatamente.
II. Si el eco de la discontinuidad se ubica entre la curva DAC a 100% y
la curva DAC a 50%, se considera necesario evaluar la
discontinuidad con otra técnica ultrasónica para tener más
información de la severidad de la discontinuidad.
III. Si el eco de la discontinuidad se ubica entre la curva DAC a 50% y
la curva DAC a 20%, no se considerará la misma como un defecto,
sin embargo, se debe dejar registro del lugar donde fue encontrada
la discontinuidad y hacer un seguimiento a su evolución y/o
propagación.
IV. Si el eco de la discontinuidad se ubica por debajo de la curva DAC a
20%, la misma no representa una amenaza para la integridad del
riel.
167
Las curvas DAC empleadas se muestran a continuación:
Gráfico 4.1 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz en el riel.
Gráfico 4.2 Curvas DAC para Palpador 5 MHz en el riel.
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Am
plit
ud
[%
]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
168
Gráfico 4.3 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45 grados en el riel.
Gráfico 4.4 Curvas DAC para Palpador 2,25 MHz y ángulo de refracción 45 grados en la Soldadura.
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 20%
DAC a 50%
0
20
40
60
80
100
0 50 100 150 200 250
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
169
Gráfico 4.5 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 60 grados en el riel
Gráfico 4.6 Curvas DAC para Palpador 5 MHz y ángulo de refracción 70 grados en el riel
5.11 Registro de indicaciones
El registro del tamaño las discontinuidades o defectos detectados se realizarán
mediante el uso de las curvas DAC proporcionadas en el apartado 5.10,
entendiéndose que estas son de mayor tamaño que las ubicadas en el patrón si
el eco respectivo está por encima de la curva DAC a 100% y menor si se
encuentra por debajo de ésta. Debido a la complejidad a la hora de determinar
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
0
20
40
60
80
100
0 20 40 60 80 100
Am
plit
ud
[%]
Distancia [mm]
DAC a 100%
DAC a 50%
DAC a 20%
170
el tamaño de la misma, ésta será registrada de acuerdo al porcentaje de
amplitud que muestra en pantalla.
El registro de la morfología de la discontinuidad se efectuará mediante la
realización de diferentes barridos propuestos en el apéndice 2. La
discontinuidad será clasificada como volumétrica o planar.
El registro del tipo de discontinuidad detectada en el riel y en la unión soldada
se realizará mediante la codificación establecida por la Unión Internacional de
Ferrocarriles (UIC) según la siguiente tabla:
Tabla 5.1 Codificación de defectos según la UIC [14]
Descripción Codificación
Fisuras Horizontales
Fisura horizontal en el hongo 112/212
Fisura horizontal en la unión hongo-alma 132.1/232.1
Fisura horizontal en la unión alma-patín 132.2/232.2
Fisura horizontal en el alma 232
Fisura horizontal en el alma (Soldadura AT) 412/422
Fisuras Transverdales
Fisura transversal en el hongo del riel 211.1/211
Fisura transversal en soldadura AT. 421
Fisura en estrella en los orificios de una
junta
135/133
Fisura transversal en el alma 231
Fisuras Verticales
Fisura vertical longitudinal en el hongo 113/213
Fisura vertical en el alma 133/233
Fisura vertical en el patín 153/253
Tabla 5.2 Significado de la numeración [14]
171
Primer dígito Segundo dígito Tercer dígito cuarto dígito
Ubicación Origen/tipo de
soldadura
Indica
dirección
Detalles
adicionales
1. Dentro de los limites de
las eclisas
0. Desconocido 1. Transversal 1. Unión
hongo-alma
1. Hongo del riel 2. Horizontal 2. Unión alma-
patín
3. Vertical
2. Otra ubicación del riel 2. Superficie del
hongo
3. Alma
5. Patín
4. Asociada con Soldadura 2. Aluminotérmica 1. Transversal
2. Horizontal
5.12 Reporte de resultados:
Se debe realizar el correspondiente registro de la inspección, las observaciones,
el patrón de eco y su respectiva amplitud. El reporte debe contener al menos la
siguiente información:
1. Fecha de inspección.
2. Nombre del inspector y número de certificado
3. Datos del equipo (marca, modelo, serial) y palpadores utilizados.
4. Sección o línea evaluada.
5. Número de la discontinuidad/defecto.
6. Código de la discontinuidad.
7. Localización (progresiva).
8. Profundidad de la discontinuidad.
9. Morfología de la discontinuidad.
172
10. Amplitud del eco.
11. Criterio aplicable de acuerdo a las curvas DAC.
12. Observaciones.
A continuación se presenta un formato recomendado para el reporte de los
resultados:
173
CONCLUSIONES
Con el desarrollo de este trabajo especial de grado se logró elaborar un
protocolo que permite la inspección de rieles de vías férreas y sus
correspondientes uniones soldadas aluminotérmicamente mediante los métodos
de inspección visual e inspección manual por ultrasonido, principal objeto de
esta investigación, con el propósito de establecer los lineamientos a seguir para
la evaluación de la condición superficial e interna de estos importantes
componentes de la vía férrea, y de este modo ofrecer un documento que
simplifique la ejecución del procedimiento de inspección, al mismo tiempo que
asegure la confiabilidad de los resultados obtenidos mediante la aplicación del
mismo.
Por medio del conocimiento, aplicación de los ensayos y análisis de los
resultados obtenidos, se pudo determinar los parámetros óptimos para la
inspección, requerimientos del equipo ultrasónico, tipo, diámetro, frecuencia,
ángulo, posicionamiento y barridos de los palpadores, así como establecer,
según la geometría de la pieza, el modo de proceder durante la inspección.
La realización de este trabajo permitió además tipificar las discontinuidades
geométricas y metalúrgicas que pueden presentarse en los rieles, de acuerdo a
su proceso de fabricación e instalación, así como en la soldadura
aluminotérmica.
Se logró también definir un criterio de aceptación y rechazo mediante la
obtención de las curvas DAC correspondientes al riel y a la soldadura
aluminotérmica, que permite a su vez la caracterización, en cuanto a tamaño y
gravedad se refiere, de las discontinuidades detectadas durante el proceso de
inspección.
174
RECOMENDACIONES
Estudiar otros métodos de END aplicables al caso de estudio, para comparar la
eficiencia en cuanto a la detección de discontinuidades.
Fabricar Bloques de referencia de mayor longitud, que permitan la elaboración
de las curvas DAC para un mayor rango de profundidad en el caso de
palpadores angulares.
Aplicar los ensayos ultrasónicos a rieles usados, para evaluar la influencia del
nivel de desgaste de la superficie de rodadura en el comportamiento de los
palpadores y de este modo ampliar el campo de aplicación del protocolo de
inspección.
Realizar ensayos con técnicas ultrasónicas más modernas (por ejemplo “Phased
array” o TOFD), de modo tal que se pueda actualizar el protocolo de acuerdo a
las tendencias actuales en ensayos ultrasónicos.
Desarrollar el procedimiento para la inspección de soldaduras oxiacetilénica y
por arco eléctrico.
175
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] PROFILLIDIS, V.A. Railway Management and Engineering. 3era edición.
Vermont, USA: Editorial Ashgate, 2000. [Fecha de consulta: 15 de mayo
2012]. Disponible en:
http://books.google.co.in/books?id=MumsYYDF2xAC&printsec=frontcover&h
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[2] AENOR. Aplicaciones ferroviarias, Vía. Parte 1: Carriles: Vignole de masa
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179
ANEXOS
180
Anexo 1. Grietas presentes en rieles
Figura 1 Grieta Horizontal y vertical en cabeza
Figura 2 Grieta vertical en unión cabeza-alma
Figura 3 Grieta horizontal en unión cabeza-alma
181
Figura 4 Grieta horizontal en unión alma-patín
Figura 5 Grietas en forma de estrella alrededor del agujero para la junta
Figura 6 Grietas verticales en el alma
182
Anexo 2. Indicaciones típicas para diferentes discontinuidades
Figura 7 Indicaciones típicas para diferentes discontinuidades
183
APÉNDICES
184
Apéndice 1. Perfiles de rieles utilizados en Venezuela
Figura 1 Perfil UIC-54
185
Figura 2 Perfil UIC-60
186
Apéndice 2. Medias de Bloques de calibración
Figura 3 Bloque de calibración IIW-V1
187
Figura 4 Bloque para exactitud en decibeles.
Figura 5 Bloque para exactitud en decibeles.
188
Apéndice 3. Medidas de Bloques de referencia utilizados
Espécimen N°1 (Bloque A)
Figura 6 Medidas de espécimen N°1
189
Espécimen N°2
Figura 7 Medidas de espécimen N°2
190
Espécimen N°3 (Bloque B)
Figura 8 Medidas de espécimen N°3
191
Apéndice 4. Morfología de la heterogeneidad. Interpretación de señales.
La forma de la indicación del eco, puede proporcionar alguna información
acerca de la morfología de la heterogeneidad. Si la indicación del eco alcanza
una altura total con pocos escalones, normalmente suele proceder de u reflector
plano irradiado en dirección próxima a la perpendicularidad en dicho plano. Por
el contrario si la heterogeneidad no es plana o es irregular o, siendo plana o
rugosa no se irradia perpendicularmente, la elevación de la indicación del eco
suele ser más gradual resultando, pues, más ancha. Este mismo tipo de eco de
indicación, puede provenir de pequeñas discontinuidades aisladas muy
próximas, formando un agrupación de morfología esférica o cilíndrica
(volumétricas). [12]
a. Tipo planar b. Tipo Volumétrica
Figura 9 Influencia de la morfología de la heterogeneidad sobre la forma de la indicación del eco.
A continuación se presentan unas figuras, en las cuales se dan unos criterios
generales aplicables a los ensayos ultrasónicos con palpadores angulares, que
pueden ayudar a clasificar la heterogeneidad en planar o volumétrica:
192
Figura 10 Estudio de un reflector con morfología plana mediante un palpador angular
193
Figura 11 Estudio de un reflector con morfología volumétrica mediante un palpador
angular
