Autores: Mejías K. León D. Pérez L. Torres V. Unidad de Ensayos no Destructivos, Análisis de Fallas y Corrosión de Materiales. Centro de Tecnología de los Materiales (CTM). FIIIDT.
La inspección mediante la técnica de Ondas Guiadas es una tecnología ampliamente aceptada a nivel mundial. Es un método de ensayo no destructivo que se ha vuelto muy común debido a su aplicación inicial, utilizada para detectar corrosión debajo del aislamiento en tuberías de trabajo de plantas petroquímicas, pero se ha encontrado un amplio uso en otras situaciones de inspección donde las tuberías no son fácilmente accesibles, por ejemplo, cuando están encamisadas o elevadas por encima del suelo; lo que ha llevado a realzar los enormes avances en las matemáticas y la mecánica de propagación de las ondas, que nos permite entender las inusuales características del comportamiento que podrían convertirse en un gran beneficio para las metodologías empleadas en los ensayos de ultrasonido industrial. [1]
El estudio de las ondas guiadas que se propagan en una estructura se remonta a la década de años 20, inspirados principalmente por el campo de la sismología. Desde entonces, ha surgido un mayor esfuerzo en el estudio de la propagación de las ondas guiadas en estructuras cilíndricas como tuberías. No fue hasta los años 90 que las pruebas de ondas guiadas se consideró como un método práctico para el ensayo no destructivo en componentes de ingeniería. [2]
Principio
Considerando ondas elásticas planas, ilimitadas en espacio y tiempo, propagándose en un medio sólido homogéneo y sin efectos de borde o interfases, la velocidad de propagación de las ondas es determinada por la densidad “ρ” y las constantes elásticas del material, módulo de elasticidad “E” y la relación de Poisson “σ”, tal como sucede para las ondas longitudinales, transversales y superficiales, por lo que sus velocidades también serán constantes características del material. [3]
Las ondas guiadas se refieren a ondas mecánicas o elásticas que pueden propagarse en un rango de frecuencia de 10 KHz a 2 MHz en un medio, paralelas al plano de las fronteras del medio, enviadas a lo largo de grandes longitudes de una estructura, guiadas y confinadas a su geometría, el medio donde viaja la onda tiene una fuerte influencia en su comportamiento.
A diferencia del ultrasonido convencional, donde la inspección es localizada, en el sistema de ondas guiadas la inspección se realiza empleando un anillo de transductores para emitir ondas ultrasónicas de baja frecuencia que viajan hacia uno o ambos lados del componente, logrando de esta manera la inspección de grandes distancias desde un único punto de aplicación.[4]
Fenómeno de las Ondas Guiadas
Las ondas ultrasónicas empleadas en la inspección convencional se propagan a una velocidad constante, en contraste, la velocidad de las ondas guiadas que varían significativamente debido a su frecuencia, modo y a la geometría del medio.
Es importante mencionar que un pulso no se compone de una sola frecuencia sino de una banda de frecuencias que será más amplia cuando menor sea la duración del pulso. O sea que en un pulso de una onda dispersiva, las componentes de diferente frecuencia contenidas en él, tendrán diferente velocidad y un pulso relativamente corto en su origen se verá progresivamente distorsionado y ensanchado durante su propagación. Las componentes de alta frecuencia viajan más rápido que las de menor frecuencia. La medición del tiempo de vuelo se torna mas incierta. [3]. Nótese en la figura 1.
Una mejor comprensión de la mecánica ondulatoria y principios básicos de propagación de onda de los diferentes sensores y los distintos modos, es esencial para el análisis de las ondas guiadas; por lo que es importante recordar que si la velocidad de la onda depende solo de las propiedades físicas del medio (Ej.; propiedades elásticas) entonces la velocidad de la onda es constante e independiente de la frecuencia. Esos medios son llamados no-dispersivos y la onda mantiene su forma mientras viaja (pulso negro). Este pulso es una función Gaussiana que contiene múltiples frecuencias. Como la velocidad es constante, todas las frecuencias viajan a la misma velocidad y el pulso mantiene su forma.
Existen muchos ejemplos de medios dispersivos, en donde, por varias razones, la velocidad de la onda depende de la frecuencia. El (pulso azul) es la misma función Gaussiana con muchas frecuencias, pero aquí las frecuencias mayores viajan a mayor velocidad que las frecuencias menores. [5] El pulso se “extiende” y cambia su forma mientras viaja, obsérvese en la Fig. 2.
Debido al fenómeno de Dispersión, se hace muy difícil identificar los pulsos (por reflexión en una discontinuidad, por ejemplo, como se excitan varios modos de vibración al mismo tiempo, se tienen varios pulsos (señales) en un A-Scan que a su vez van a propagar dispersivamente en el material. [6]
Para ilustrar las propiedades de las ondas guiadas, obsérvese en la figura [6] muestra ejemplos de sus curvas de dispersión en tuberías, las cuales son referenciadas por la relación entre la velocidad y la frecuencia de la onda.
En el cilindro se desarrollarán ondas longitudinales, torsionales y flexurales. Las velocidades de fase “w” y de grupo “u” dependen de la relación entre el diámetro “d” del cilindro y la longitud de onda “λ”.
Un gran número de ondas podrán ser propagadas, cada una de ellas identificada por el movimiento de las partículas y conformando un modo de onda singular. [3] Nótese en la Fig. 4
A diferencia del ultrasonido convencional, donde la inspección es localizada, en el sistema de ondas guiadas la inspección se realiza empleando un anillo de transductores para emitir ondas ultrasónicas de baja frecuencia que viajan hacia ambos lados del componente, logrando de esta manera la inspección de grandes distancias desde un único punto de aplicación. [4] Nótese en la Fig. 5
El ultrasonido de ondas guiadas puede ser producido en una estructura por una variedad de técnicas diferentes, incluyendo transductores de ángulo, transductores de tipo peine, EMATs y un tipo de sensores magnetoestrictivos. [7]
Inspección de gran rango
A pesar de que las propiedades de las ondas guiadas son complejas, con una buena selección y un control apropiado de la frecuencia y modo de onda, estas son excelentes para inspeccionar globalmente una gran área de una estructura desde la localización de un solo punto, para la aplicación de esta técnica es necesario instalar sensores empleando un anillo que cubre el diámetro exterior (OD) de la tubería, permitiendo examinar toda la sección transversal de dicha estructura y de esa manera se puede detectar indicaciones superficiales, cercanas a la superficie e internas, siempre que las mismas cuenten con una sección transversal perpendicular al frente de onda.
En condiciones favorables, esta tecnología se utiliza para inspeccionar hasta 300 metros de tubería, con un solo sensor colocado en una única posición individual o de hasta 1,2 km en un día. Observar la Fig. 6.
Ventajas
- La rápida exanimación de una gran distancia de tubería
- Encontrar y localizar daños (corrosión, perdida de metal y fracturas) para un seguimiento cuantitativo, así como inspeccionar áreas inaccesibles desde una posición remota accesible requiriendo mínima preparación, como remover aislamientos, uso de andamios, excavación, remover recubrimientos etc.
- Inspección de líneas operando y con producto en la tubería.[2]
Limitaciones
- No se puede determinar con exactitud la perdida de metal, así como baja sensibilidad relativa para grietas axiales.
- Factores externos tal como el aislamiento o grandes soportes soldados reducen significativamente el rango de inspección.[2]
Evaluación
La evaluación es llevada a cabo por medio de la amplitud de las indicaciones y su direccionalidad, obteniendo un resultado para asignar una prioridad y con la ayuda de la focalización de la ondas ultrasónicas por medio de una Onda Flexural y determinar la Direccionalidad de la discontinuidad.[1]
El filtrado de algunas frecuencias de la onda ultrasónica induce a utilizar para el ensayo un rango bien definido de frecuencias, preferiblemente centrado en los picos máximos del espectro de frecuencia. [3]
Conclusión
La inspección por medio de ondas guiadas es una herramienta para conocer el estado general de la tubería, identificando sus puntos críticos para la elaboración de planes de mantenimiento predictivos.
Todas las plantas de procesos tienen la necesidad de conocer el estado de sus tuberías enterradas, aéreas y de transporte sin tener que dejarlas fuera de operación por cuestiones de productividad.
En próximas publicaciones Ondas Guiadas: Estudio del Arte y Aplicaciones en la Industria (Parte 2) se mencionaran los aportes a nivel institucional respecto al área de Ensayos No Destructivos en la Construcción de un Prototipo de Anillo para la Generación de Ondas Guiadas, al igual que los distintos equipos de inspección (GWT) de empresas reconocidas a nivel mundial.
Bibliografía
[1] Ilog, S. A. de C. V., Teletest Focus +. www.ilogsa.com
[2] Ilog, S. A. de C. V., “Presentación de Introducción a las Ondas Guiadas”. www.ilogsa.com
[3] C. Desimone 1 , P. Katchadjian 2 , M. Tacchia 3. Aplicación de ondas guiadas. Ultrasonic guided waves application.
[4]https://www.olympus-ims.com/es/ultrawave-lrt/#!cms[focus]=cmsContent14563
[5] Msc. Roberto Otero. “Desarrollo de Prototipo de Anillo de Generación de Ondas Guiadas en la Fundación Instituto de Ingenieria”.
[6] Rose, J.L., 1999, “Ultrasonic Waves in Solid Media,” Cambridge University Press.
[7] Rose, J.L, 2004 “Ultrasonic Guided Waves in Structural Health Monitoring”.
Contactos: karlamejiasb@gmail.com ; torrespvictorj@gmail.com