Ingeniería Mecánica · 2013
Prototipo experimental para la detección de fallas por ultrasonido en tubería metálica
Actualmente el mantenimiento ha tenido una gran evolución, y ahora se enfoca hacia el mantenimiento predictivo, donde encontramos una gran variedad de técnicas para mejorar el rendimiento de los equipos, entre estas nuestra técnica de trabajo: el ultrasonido industrial; todas con fines de aumentar la disponibilidad y mejorar la mantenibilidad en los equipos, logrando buena credibilidad en cuanto al mantenimiento en la compañía al incrementar el índice de confiabilidad. Nuestro prototipo consta de un sensor ultrasónico de haz angular con una frecuencia máxima de operación de 5 MHz, un sistema electrónico para generación de potencia y otro para amplificación y acondicionamiento de las señales, un sistema de adquisición de datos, formado por una tarjeta National Instruments, y el software LabView, encargado de la interpretación de los datos y la interface con el usuario, además de componentes como cables, fuente y adaptadores pertinentes, con el fin de obtener la inspección requerida y poder dar un análisis eficiente de los defectos encontrados. El trabajo de grado nos enseña y documenta lo que es el ultrasonido industrial como técnica para mantenimiento predictivo, nuestro enfoque va hacia la inspección en tubería metálica para la detección de defectos, puesto que realizar monitoreo a una tubería para transporte de fluidos o gases hace parte esencial de la seguridad e integridad de las instalaciones, del personal y del medio ambiente; obteniendo un uso eficiente y un menor costo de mantenimiento a mediano plazo.
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Contenido
- INTRODUCCIÓNp. 18
- MANTENIMIENTO, GENERALIDADES Y DEFINICIONESp. 19
- 1.1 DEFINICIONESp. 19
- 1.2 EL MANTENIMIENTO CORRECTIVOp. 20
- 1.3 EL MANTENIMIENTO PREVENTIVOp. 20
- 1.4 MANTENIMIENTO PREDICTIVOp. 21
- 1.4.1 Generalidadesp. 92
- 1.4.2 Beneficios del mantenimiento predictivop. 22
- 2. INTRODUCCIÓN A LAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS (PND)p. 24
- 2.1 MÉTODOS DE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOSp. 26
- 2.1.1 Análisis de Vibracionesp. 26
- 2.1.2 Termografía Infrarrojap. 27
- 2.1.3 Análisis de Aceitesp. 28
- 2.1.4 Análisis espectral de intensidades de corrientesp. 29
- 2.1.5 Análisis del flujo de dispersiónp. 30
- 2.1.6 Detección ultrasónicap. 30
- 3. EL SONIDOp. 32
- 3.1 CUALIDADES DEL SONIDOp. 32
- 3.1.1 Intensidadp. 33
- 3.1.2 Tonop. 34
- 3.1.3 Timbrep. 34
- 3.2 CUALIDADES DE UNA ONDA SONORAp. 35
- 3.2.1 Periodop. 35
- 3.2.2 Frecuenciap. 35
- 3.2.3 Amplitudp. 35
- 3.2.4 Longitud de ondap. 35
- 3.3 VELOCIDAD DEL SONIDOp. 37
- 3.4 ONDAS ESTACIONARIASp. 38
- 3.5 VELOCIDAD ACÚSTICAp. 39
- 3.6 PRESIÓN ACÚSTICAp. 40
- 3.7 INTENSIDAD ACÚSTICAp. 40
- 4. ULTRASONIDOp. 41
- 4.1 MODO DE PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ULTRASÓNICASp. 44
- 4.1.1 Ondas Longitudinales o de Compresiónp. 45
- 4.1.2 Ondas Transversales o de Cizalladurap. 47
- 4.1.3 Ondas Superficiales o de Rayleighp. 49
- Fuente:p. 50
- 4.1.4 Ondas de Lambp. 51
- 4.2 IMPEDANCIA DE LA ONDA ACÚSTICAp. 53
- 4.3 INTERCAMBIO DE ENERGÍA DE UN MEDIO A OTROp. 54
- 4.4 INCIDENCIA ANGULARp. 55
- 4.5 MODOS DE ONDA Y SU RELACIÓNp. 56
- 4.5.1 Onda Incidente de Compresión o Longitudp. 56
- 4.5.2 Onda Incidente Cortante o Transversalp. 57
- 4.6 ÁNGULOS CRÍTICOSp. 58
- 4.6.1 Primer Ángulo Críticop. 58
- 4.6.2 Segundo Ángulo Críticop. 59
- DE EXPLORACIÓNp. 59
- 4.7.1 Medio de Acoplamientop. 60
- 4.7.2 Acabado Superficialp. 60
- 4.7.2.1 Efecto de la Condición Superficialp. 61
- 4.7.2.2 Efecto del acabado superficialp. 62
- 4.7.3 Curvatura Superficialp. 60
- 4.7.4 Frecuencia y diámetro del Cristalp. 60
- 5.1 MÉTODO POR CONTACTO DIRECTOp. 64
- 5.1.1 Técnica de haz normalp. 64
- 5.1.2 Técnica de haz angularp. 65
- 5.1.3 Técnica de haz superficialp. 67
- 5.2 MÉTODO POR INMERSIÓNp. 68
- 5.2.1 Sistema de inmersión en tanquep. 68
- 5.2.2 Sistema de chorro de aguap. 69
- 5.2.3 Sistema de ruedap. 70
- 5.3 TÉCNICAS DE INMERSIÓNp. 71
- 5.3.1 Técnica de haz normalp. 71
- 5.3.2 Técnica de haz angularp. 71
- 5.4 VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LOS MÉTODOSp. 72
- 5.4.1 Ventajas del método de contacto directop. 72
- 5.4.2 Ventajas del método de inmersiónp. 73
- 5.4.3 Limitaciones del Método de Contacto Directop. 73
- 5.4.4 Limitaciones del Método de Inmersiónp. 73
- 6. TRANSDUCTOR Y GENERACION DEL ULTRASÓNIDOp. 74
- 6.1 GENERACIÓN DEL ULTRASONIDOp. 74
- 6.1.1 Efecto piezoeléctricop. 74
- 6.1.2 Efecto Magnetoestrictivop. 74
- 6.2 ELEMENTOS QUE FORMAN PARTE DE UN TRANSDUCTOR ULTRASÓNICOp. 77
- 6.2.1 Elemento activop. 78
- 6.2.2 El material de respaldop. 78
- 6.2.3 La placa frontal o placa protectorap. 79
- 6.3 TIPOS DE TRANSDUCTORES ULTRASÓNICOSp. 80
- 6.3.1 Transductores de haz recto de contactop. 80
- 6.3.2 Transductores de haz angular de contactop. 81
- 6.3.3 Transductores de doble cristal (Duales) de contactop. 82
- 6.3.4 Transductores de inmersiónp. 83
- 6.4 CARACTERISTICAS AVANZADAS DE UN TRANSDUCTORp. 84
- 6.4.1 Forma de Onda y espectro del transductorp. 84
- 6.4.2 Impedancia acústica, reflectividad y atenuaciónp. 84
- 6.4.3 Campo de sonidop. 85
- 6.4.4 Diámetro de la emisiónp. 87
- 6.4.5 Zona de enfoquep. 88
- 6.5 EXITACION DE UN TRANSDUCTORp. 88
- 6.5 COMO SELECCIONAR UN TRANSDUCTORp. 90
- 7. TECNICASDE INSPECCIÓN EN EL ENSAYO ULTRASÓNICOp. 92
- 7.1 GENERALIDADESp. 92
- 7.2 SISTEMA DE EXCITACIÓN PARA GENERAR EL ULTRASONIDOp. 92
- 7.3 SISTEMA DE EMISIÓN Y RECEPCIÓN DEL ULTRASONIDOp. 93
- 7.3.1 Sistema de resonanciap. 93
- 7.3.2 Sistema de transmisiónp. 93
- 7.3.3 Sistema de pulso-ecop. 95
- 7.3.3.1 Técnica de Pitch Catchp. 96
- 8. TIPOLOGIA DE FALLAS POR ULTRASONIDOp. 99
- 8.1. DIFERENCIA ENTRE REFLECTOR, DISCONTINUIDAD Y DEFECTOp. 99
- 8.1.1 Reflectores pequeños y grandesp. 100
- 8.2. CLASIFICACIÓN DE LAS DISCONTINUIDADESp. 100
- 8.2.1. Discontinuidades Inherentesp. 100
- 8.2.2 Discontinuidades de proceso o fabricaciónp. 101
- 8.2.3. Discontinuidades de serviciop. 101
- 8.3 INTERPRETACIÓN DE LAS INDICACIONESp. 101
- 8.3.1. Características de las discontinuidadesp. 101
- 8.3.1.1 Naturaleza de las discontinuidadesp. 101
- 8.3.1.2. Morfología de las Discontinuidadesp. 101
- 8.3.1.3. Orientación de las Discontinuidadesp. 101
- 8.3.1.4. Posición de las Discontinuidadesp. 102
- 8.3.1.5. Tamaño de las Discontinuidadesp. 102
- 8.3.2. Detección e identificación de una discontinuidadp. 102
- 8.3.2.1. Morfología de la Discontinuidadp. 102
- 8.3.2.2. Orientación de la discontinuidadp. 105
- 8.3.2.3 Posición de la discontinuidadp. 106
- 8.3.3 Criterios y técnicas para la determinación del tamaño de las discontinuidadesp. 107
- 8.3.3.1 Discontinuidades mayores que la sección transversal del haz ultrasónicop. 107
- 8.3.3.2. Discontinuidades menores que la sección del haz ultrasónicop. 108
- 9. PROTOTIPO EXPERIMENTAL DESARROLLADOp. 109
- 9.1 DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE FISICOp. 110
- 9.2. SISTEMA EMISOR-RECEPTOR DE VARIABLES FÍSICASp. 111
- 9.2.1. Transductores miniatura de haz angularp. 111
- 9.2.2. Cable de conexiónp. 112
- 9.3. SISTEMA ELECTRÓNICO DE ACONDICIONAMIENTOp. 113
- 9.3.1 Placa electrónica de acondicionamientop. 115
- Fuente: Autoresp. 56
- Fuente: Autoresp. 56
- 9.4 SISTEMA DE POTENCIAp. 117
- 9.4.1 Placa electronica de potenciap. 117
- 9.5. SISTEMA PROCESADOR-RECEPTOR DE SEÑALESp. 118
- 9.5.1. Tarjeta National Instrumentsp. 118
- 9.6. SISTEMA DE INTERFASE CON EL USUARIOp. 118
- 9.6.1Software desarrolladop. 118
- 9.6.2. Elementos que conforman la pestaña 3p. 122
- 9.6.4. Descripción del software - diagrama de bloquesp. 123
- 9.7 METODOLOGIA IMPLEMENTADA PARA LA INSPECCIÓNp. 126
- 9.7.1. Modo de visualización de los resultadosp. 127
- 10. PRUEBAS Y RESULTADOSp. 129
- 10.1 PRUEBAS REALIZADAS CON PROTOTIPO EXPERIMENTAL CONSTRUIDOp. 129
- 10.2 PRUEBAS CON EL EQUIPO EPOCH XTp. 138
- CONCLUSIONESp. 144
- RECOMENDACIONESp. 147
- BIBLIOGRAFÍAp. 148
- ANEXOSp. 151
- FIG 1ESPECTRO DE VIBRACIÓNp. 27
- FIG 2TERMOGRAMA INDUSTRIALp. 28
- FIG 3ANÁLISIS DE ACEITESp. 29
- FIG 4EQUIPO PARA ANÁLISIS ESPECTRALp. 30
- FIG 5 INSPECCIÓN MECÁNICA CON EQUIPO DE ULTRASONIDO EN BOMBASp. 31
- FIG 6RELACIÓN ENTRE AMPLITUD Y LONGITUD DE ONDAp. 35
- FIG 7LONGITUD DE ONDAp. 36
- FIG 8RANGO DE FRECUENCIASp. 43
- FIG 9ONDAS LONGITUDINALES O DE COMPRESIÓNp. 45
- FIG 10GENERACIÓN DEONDAS LONGITUDINALESp. 46
- FIG 11 ONDAS TRANSVERSALES O DE CIZALLADURAp. 47
- FIG 12GENERACIÓN DE ONDAS DE CORTEp. 48
- FIG 13ONDAS SUPERFICIALES O DE RAYLEIGHp. 49
- FIG 14GENERACIÓN DE ONDAS SUPERFICIALESp. 50
- FIG 15ONDAS SIMÉTRICAS O DE DILATACIÓNp. 52
- FIG 16ONDAS ASIMÉTRICAS O DE DEFLEXIÓNp. 52
- FIG 17TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN UNA SUPERFICIEp. 54
- FIG 18COMPORTAMIENTO DE UNA ONDA REFLEJADA Y REFRACTADA EN EL MATERIALp. 56
- FIG 19ONDA REFLEJADA Y REFRACTADA DE UNA ONDA SONORA INCIDENTE DE COMPRESIÓN EN UN MATERIALp. 56
- FIG 20ONDA REFLEJADA Y REFRACTADA DE UNA ONDA SONORA INCIDENTE DE CORTANTE EN UN MATERIALp. 57
- FIG 21PRIMER ÁNGULO CRÍTICOp. 58
- FIG 22SEGUNDO ÁNGULO CRÍTICOp. 59
- FIG 23ACABADO SUPERFICIALp. 62
- FIG 24TÉCNICA DE HAZ NORMALp. 64
- FIG 25TÉCNICA DE HAZ ANGULARp. 66
- FIG 26RELACIÓN ENTRE LOS ÁNGULOS DE INCIDENCIA Y REFRACCIÓN PARA ONDAS LONGITUDINALES Y TRANSVERSALESp. 67
- FIG 27TÉCNICA DE HAZ SUPERFICIALp. 67
- FIG 28SISTEMA DE INMERSIÓN EN TANQUEp. 68
- FIG 29SISTEMA DE CHORRO DE AGUAp. 69
- FIG 30SISTEMA DE RUEDAp. 70
- FIG 31TÉCNICA DE HAZ NORMAL PARA INMERSIÓNp. 71
- FIG 32TÉCNICA DE HAZ ANGULAR PARA INMERSIÓNp. 72
- FIG 33ORIENTACIÓN TÍPICA DE UN CRISTAL DE CUARZOp. 75
- FIG 34EFECTO PIEZOELÉCTRICOp. 75
- FIG 35 ETAPAS PARA LA GENERACIÓN DEL SONIDOp. 76
- FIG 36EFECTO MAGNETOESTRICTIVOp. 77
- FIG 37ELEMENTOS DE UN TRANSDUCTORp. 78
- FIG 38PLACA PROTECTORA Y ELEMENTO ACTIVOp. 79
- FIG 39TRANSDUCTORES DE CONTACTOp. 80
- FIG 40TRANSDUCTORES DE HAZ ANGULARp. 81
- FIG 41TRANSDUCTORES DUALESp. 82
- FIG 42TRANSDUCTORES DE INMERSIÓNp. 83
- FIG 43CAMPO LEJANO Y CERCANOp. 86
- FIG 44OTROS PARÁMETROS EN LA EMISIÓN DEL SONIDOp. 87
- FIG 45SISTEMA DE TRANSMISIÓNp. 94
- FIG 46SISTEMA DE PULSO-ECOp. 95
- FIG 47 TÉCNICA DELTAp. 97
- FIG 48REFLECTORES PEQUEÑOS Y GRANDESp. 100
- FIG 49 ESTUDIO DE UN REFLECTOR CON MORFOLOGÍA PLANA MEDIANTE UN PALPADOR ANGULARp. 103
- FIG 51 ESTUDIO DE UN REFLECTOR CON MORFOLOGÍA ESFÉRICA MEDIANTE UN PALPADOR ANGULARp. 105
- FIG 52 ALTURA RELATIVA DE ECO PARA UNA GRIETA Y UNA CAVIDADp. 107
- FIG 53 DIAGRAMA DE BLOQUES GENERALp. 109
- FIG 54 COMPONENTES DEL MONTAJEp. 110
- FIG 55 PALPADOR DE HAZ ANGULAR C543-SMp. 111
- FIG 56 DIMENSIONES DEL TRANSDUCTORp. 112
- FIG 57 CABLE MICRODOT-BNCp. 113
- FIG 58 FUENTE DE POTENCIA 1:1p. 114
- FIG 59 ACONDICIONAMIENTO SEÑAL HACIA EL SENSORp. 114
- FIG 60 ACONDICIONAMIENTO TOTALp. 115
- FIG 61 ACONDICIONAMIENTOp. 115
- FIG 62 PLACA ELECTRÓNICA DE ACONDICIONAMIENTOp. 116
- FIG 63 ESQUEMÁTICO DEL ACONDICIONAMIENTOp. 116
- FIG 64 PLACA ELECTRONICA DE POTENCIAp. 117
- FIG 65 ESQUEMATICO DE LA FUENTE DE POTENCIAp. 117
- FIG 66 TARJETA NI USB-6216p. 118
- FIG 67 PESTAÑA1: PRESENTACIÓNp. 120
- FIG 68 PESTAÑA 3: SOFTWAREp. 121
- FIG 69 PROPIEDADES EN MATERIALESp. 123
- FIG 70 CICLO GENERACIÓN DE PULSOSp. 124
- FIG 71 CICLO LECTURA DE DATOSp. 124
- FIG 72 CICLO CÁLCULO DE PROPIEDADESp. 124
- FIG 73 SISTEMA GENERAL DISEÑADOp. 125
- FIG 74 TUBERÍA DE ACERO DE GRANO FINOp. 126
- FIG 75 DISTRIBUCIÓN PARA LA TOMA DE DATOSp. 127
- FIG 76 DISTRIBUCIÓN DE LOS ANILLOSp. 127
- FIG 77 MUESTREO DE DATOS EN PRESENTACIÓN A-SCANp. 128
- FIG 78 TRENES DE PULSOSp. 130
- FIG 79 PIC 18F47J53 FRECUENCIA 5 MHZp. 131
- FIG 80 ECOS AMPLIFICADOS PRODUCIDO POR EL TRANSDUCTOR SIN CONTACTO CON LA SUPERFICIEp. 131
- FIG 81 ECOS AMPLIFICADOS PRODUCIDO POR EL TRANSDUCTOR EN CONTACTO CON LA SUPERFICIEp. 132
- FIG 82 MODO PARA LA MEDICIÓNp. 133
- FIG 83 ANILLOS DE INSPECCIÓNp. 133
- FIG 84 FALLAS INCIDIDASp. 134
- FIG 85 ANILLO 1 A 0°p. 135
- FIG 86 ANILLO 2 A 45°p. 136
- FIG 87 ANILLO 3 A 115°p. 136
- FIG 89 ANILLO 4 A 180°p. 137
- FIG 90 EQUIPO EPOCH XT Y ELEMENTOS UTILIZADOSp. 139
- FIG 91 EPOCH XT ANILLO 1 A 0°p. 139
- FIG 92 EPOCH XT ANILLO 2 A 45°p. 140
- FIG 93 EPOCH XT ANILLO 3 A 115°p. 141
- FIG 94 EPOCH XT ANILLO 4 A 180°p. 141
- FIG 95 RESULTADOS GENERALESp. 143