aplicacion del metodo de emision
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APLICACIÓN DEL MÉTODO DE EMISIÓN
ACÚSTICA PARA EVALUAR LA INTEGRIDAD
DE RECIPIENTES A PRESIÓN.
ING. JORGE SAGRERO RIVERA
NIVEL III ASNT 156807 (UT, MT, PT)
ING. JOSÉ NÚÑEZ ALCOCER
NIVEL III ASNT 75457
México D.F. a 22 de Agosto del 2013 10ª Conferencia Mexicana de Pruebas No
Destructivas
CENTRO DE INGENIERÍA Y DESARROLLO INDUSTRIAL
ÍNDICE
CENTRO DE INGENIERÍA Y DESARROLLO INDUSTRIAL
I. EMISIÓN ACÚSTICA.
II. INTEGRIDAD MECÁNICA.
III. RELACIÓN AE – PARÁMETROS DE MECÁNICA DE FRACTURA
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
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EMISIÓN ACÚSTICA (E.A).
I.1. FENOMENO DE EMISIÓN ACÚSTICA (E.A).
La Emisión Acústica es un poderoso método no destructivo empleado para
examinar el comportamiento de materiales que experimentan procesos de
deformación fractura (nucleación y crecimiento de grietas).
Formalmente definida: La clase de fenómeno por el cual se generan ondas
elásticas transitorias por la rápida liberación de energía proveniente de fuentes
localizadas dentro de un material. Emisión acústica es el término recomendado
para uso general. Otros nombres: Emisión de ondas de esfuerzo, actividad
micro-sísmica, etc.
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I.2. EQUIPO E.A.
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I.3. A.E. VS OTROS NDT.
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3 principales diferencias entre el método de Emisión Acústica y otros métodos de
NDT:
La causa de la Emisión Acústica es la energía propia de la fuente
(movimiento producido por crecimiento de grietas), no energía
suministrada por un transductor.
La fuente AE adquiere energía a través de un estímulo mecánico o térmico
(estado de esfuerzo). Por lo cual esta relacionada con el esfuerzo.
El sensor de AE detecta movimiento, no la geometría de las
discontinuidades.
No intrusivo.
I.4. FUENTES POTENCIALES DE E.A.
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Algunas fuentes potenciales de E.A. en los materiales de ingeniería son:
Nucleación y crecimiento de grietas.
Cedencia del material.
Fractura y separación de inclusiones.
Corrosión activa.
Realineación de dominios magnéticos.
Etc.
I.5. ANALOGÍA.
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Se puede realizar una analogía interesante
al comparar el fenómeno de emisión
acústica con los terremotos. Los
terremotos liberan ondas sísmicas que
se propagan a través de la tierra y son
detectadas por medio de sensores
localizados alrededor del mundo (6).
El análisis de las ondas sísmicas
registradas puede proporcionar la
localización de la fuente y su grado de
severidad.
Como con los terremotos, en Emisión
Acústica un sensor detectará las ondas
elásticas que se propagan a través del
material.
I.6. PARTICIÓN DE ENERGÍA.
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Cuando se genera un evento fuente, una pequeña fracción de la energía elástica
almacenada es liberada y convertida en otras formas de energía.
Las formas de energía de interés son la energía de la deformación plástica y la
energía de la emisión acústica.
Durante el crecimiento de una
grieta en un material con una
tenacidad elevada, una gran
cantidad de energía es
demandada por la deformación
plástica; en contraste con los
materiales frágiles, donde la
cantidad de energía demanda por
la deformación plástica es menor
(9).
Energía
almacenada
Energía
disponible Energía
Deformación
plástica
Energía AE
Otros
I.7. MODOS DE ONDAS.
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El caso más sencillo de propagación de ondas de Emisión Acústica ocurre en un
medio infinito, donde sólo dos tipos de ondas pueden existir: Longitudinal
(Dilatacional) y Transversal (Distorsional). En medios semi-infinitos existe una
interacción entre la onda longitudinal y la superficie libre del solido que da lugar a las
ondas superficiales (Rayleigh). En placas delgadas, las ondas interactúan con las
fronteras y producen modos de propagación más complejos llamado ondas Lamb
(21).
7% 26%
67%
I.8. CONVERSIÓN DE ENERGÍA.
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El sensor convierte las ondas elásticas en una señal de voltaje proporcional a
la magnitud de la energía liberada, la cual, a su vez, depende del tamaño y
velocidad del proceso de deformación localizado (8).
La onda de Emisión Acústica
generada por la formación y
movimiento de una simple dislocación
es muy pequeña para ser detectada,
sin embargo, la formación y
movimiento de millones de
dislocaciones que ocurren al mismo
tiempo, generan ondas superpuestas
que son detectables cuando el voltaje
que producen es mayor que el
generado por el ruido ambiental o
umbral de detección.
I.9. SEÑAL DE E.A.
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En 1950, en la investigación que fundamenta el uso de la Emisión Acústica,
Kaiser observó y distinguió dos tipos de señales de Emisión Acústica: Señal tipo
estallido (Burst) y señal tipo continua (Continuous).
Grietas
Cedencia.
Fugas
I.10. PARÁMETROS DE LA SEÑAL DE E.A.
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Sería ideal registrar una señal por cada evento de emisión acústica que
ocurre en el material. Sin embargo, existen eventos de emisión acústica, que
debido a su baja energía, no pueden ser detectados. Por lo cual es
necesario definir un umbral de detección. La detección se lleva a cabo
cuando la señal cruza el umbral establecido y define el inicio de la señal. La
Figura 13 esquematiza una señal de emisión acústica y sus parámetros.
I.11. PARÁMETROS DE LA SEÑAL DE E.A.
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I.12. EFECTO KAISER
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Una manifestación de la emisión acústica durante la deformación es el efecto
Kaiser. Los materiales muestran actividad de emisión acústica solo después
de que la carga aplicada excede a la carga previa.
I.13. LOCALIZACIÓN DE FUENTES.
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Una de las mayores fortalezas del método de examinación por emisión acústica es
su habilidad para localizar fuentes de emisión acústica activas. El tiempo de
llegada de la señal acústica al sensor es el parámetro comúnmente empleado para
determinar la localización de una fuente.
Localización lineal.
Localización en un plano (dos dimensiones).
Localización zonal.
I.13. LOCALIZACIÓN DE FUENTES.
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3.28
pulgadas
Fuente
Hsu Nielsen
Sensor
Guardián 2 Sensor 1 Sensor 2 Sensor
Guardián 1
Ejemplo de localización
I.13. LOCALIZACIÓN DE FUENTES.
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El equipo puede ser esquematizado para facilitar localización de la fuente de
emisión.
I.14. DISTANCIA ENTRE SENSORES.
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La atenuación de la señal determina el espaciamiento máximo entre sensores
necesario para asegurar la detección de las fuentes de emisión. La atenuación es
medida antes de la prueba.
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I.14. DISTANCIA ENTRE SENSORES.
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I.15. CARACTERIZACIÓN CON TOFD. Una vez localizadas las
fuentes de emisión
pueden ser caracterizadas
con ultrasonido industrial.
Parámetros importantes.
Profundidad.
Longitud.
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INTEGRIDAD MECÁNICA
II.1. INTEGRIDAD.
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La Integridad mecánica es una filosofía de trabajo que
tiene por objeto garantizar que todo equipo de proceso
sea diseñado, procurado, fabricado, construido,
instalado, operado, inspeccionado, mantenido, y/o
reemplazado oportunamente para prevenir fallas,
accidentes o potenciales riesgos a personas,
instalaciones y al ambiente.
Análisis de integridad consiste en la evaluación del
estado estructural de un elemento, basándose en la
identificación del tipo y grado de severidad de las
discontinuidades.
Mecanismos
de daños
Grietas
.
.
.
24
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Estructuras fabricadas con materiales con suficiente tenacidad pueden no ser
susceptibles a fractura frágil, pero pueden fallar por colapso plástico si son
sobrecargadas. Dowling and Townley (53), and Harrison (54) introdujeron el
concepto del diagrama de evaluación de falla (FAD, por sus siglas en inglés), que
incorpora dos criterios de falla, para describir la interacción entre fractura y
colapso.
II.2. MECÁNICA DE FRACTURA - LEFM
(FALLAS TIPO GRIETA)
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II.3. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE EVALUACIÓN
(API-579)
𝐾𝐼 = 𝐾𝐼𝑃 =
𝑝𝑅𝑜2
𝑅𝑜2 − 𝑅𝑖
2 2𝐺0 − 2𝐺1 𝑎
𝑅𝑖 + 3𝐺2
𝑎
𝑅𝑖
2
− 4𝐺3 𝑎
𝑅𝑖
3
+ 5𝐺4 𝑎
𝑅𝑖
4
𝜋 𝑎
𝑄
Soluciones API-579 para una grieta con forma semi-
elíptica en la superficie interna de un cilindro sujeto a
presión interna
𝐿𝑟 =𝜎𝑟𝑒𝑓
𝜎𝑦𝑠 𝜎𝑟𝑒𝑓 = 𝜎𝑟𝑒𝑓
𝑃 =𝑔𝑃𝑏 + (𝑔𝑃𝑏)2 + 9 𝑀𝑠 · 𝑃𝑚 · 1 − 𝛼 2 2 0.5
3 1 − 𝛼 2
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II.3. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE EVALUACIÓN
Soluciones numéricas.- Las
soluciones para el factor
intensificador de esfuerzos y
esfuerzos pueden ser
encontradas en modelos
numéricos que incluyan la
geometría de la grieta
explícitamente.
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II.3. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE EVALUACIÓN
El parámetro Kr varia en función del factor intensificador de esfuerzos KI. El
factor intensificador de esfuerzos KI varia en función de las dimensiones de la
grieta y la carga aplicada (presión interna).
Α
Profundidad, a Longitud, 2c, Parámetro Parámetro ???? (??????)
(mm) (mm) ???? ???? (?????? ??)
1 1.5 3 0.218572 0.1078291 7.1382
1 4 8 0.172917 0.19901421 13.1747
1 5 10 0.164703 0.23904883 15.8249
0.5 1.5 6 0.334483 0.12427273 8.2268
0.5 4 16 0.315966 0.23046669 15.2568
0.5 5 20 0.319235 0.28121382 18.6163
0.25 1.5 12 0.458348 0.14679097 9.7175
0.25 4 32 0.552779 0.32029411 21.2034
0.25 5 40 0.622615 0.40179868 26.5989
0.125 1.5 24 0.567681 0.16180525 10.7114
0.125 4 64 0.892509 0.43052054 28.5003
0.125 5 80 1.184748 0.60952174 40.3501
0.0625 1.5 48 0.642875 0.17250209 11.4196
0.0625 4 128 1.203026 0.61300107 40.5804
0.0625 5 160 1.859225 0.89811659 59.4550
0.03125 1.5 96 0.677644 0.18045751 11.9462
0.03125 4 256 1.357048 0.66149982 43.7910
0.03125 5 320 2.269281 1.21341601 80.3277
2 5 5 0.084361 0.09634256 6.3778
α
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II.3. COORDENADAS DE LOS PUNTOS DE EVALUACIÓN
La posición del punto de evaluación en el diagrama FAD proporciona
información referente al tipo de fractura esperada.
II.4. PROPIEDAES DEL MATERIAL.
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II.5. FAD INCLUYE PROPIEDADES DEL MATERIAL.
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𝐾𝑟 = 𝐸𝜀𝑟𝑒𝑓
𝐿𝑟𝑃𝜎𝑦𝑠
+(𝐿𝑟
𝑃)3𝜎𝑦𝑠
2𝐸𝜀𝑟𝑒𝑓
−0.5
Las propiedades del material (tenacidad y tensión) pueden
estar incluidas en el diagrama FAD y en las coordenadas del
punto de evaluación para refinar la solución
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RELACIÓN AE – PARÁMETROS DE MECÁNICA DE FRACTURA
III.1. ORIGEN DE AE.- DEFORMACIÓN PLÁSTICA.
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La deformación plástica es la fuente primaria de EA en materiales metálicos
sometido a carga. El inicio de la plasticidad particularmente en o cerca del
esfuerzo de cedencia, contribuye a los mayores niveles de actividad de emisión
acústica.
Los niveles de actividad de
emisión acústica son
dependientes del material.
Prueba de tensión.
III.2. GRIETAS COMO FUENTES DE EMISIÓN
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La concentración de esfuerzo resultante,
provoca que el material que esta en la
punta de la grieta se deforme y falle, aun
cuando el resto del material este en la
región elástica.
Creación de zonas plásticas.
Crecimiento sub-critico.
Crecimiento critico.
Cuando se aplica esfuerzo a un material que presenta una falla tipo grieta, el campo
de esfuerzos tiende a rodear los limites de la grieta.
Importante: Emisión acústica --- sinónimo de movimiento.
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El estado de crecimiento crítico es una tarea totalmente legitima para el método
de AE, sin embargo la detección de una grieta con un estado de crecimiento crítico
puede ser muy tardía para evitar una catástrofe. Por lo cual, el estado de
crecimiento sub-crítico es de gran interés para las aplicaciones prácticas de AE.
El crecimiento sub-crítico de una grieta puede ser inducido por:
Incremento de la carga.- El incremento de la carga puede propiciar el
crecimiento de la grieta suficiente para ser detectado por el método de AE
(depende del material y condición de carga).
Crecimiento por fatiga.- La aplicación de ciclos de cargas repetitivos
originan el la propagación de la grieta.
III.2. GRIETAS COMO FUENTES DE EMISIÓN
III.3. MODELO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA*.
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El modelo de deformación plástica relaciona el factor intensificador de esfuerzos
y el tamaño de la zona plástica con la emisión acústica.
El modelo puede ser aplicado para predecir el comportamiento de materiales
agrietados que tienden a propagar una grieta.
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
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Consideraciones:
El modelo esta basado en el hecho de que la emisión acústica esta asociada
con la deformación plástica.
Los metales y aleaciones proporcionan la mayor tasa de emisión acústica
cuando es cargado al esfuerzo de cedencia.
El tamaño y la forma de la zona plástica delante de la punta de la grieta son
determinadas por medio de conceptos de mecánica de fractura lineal.
𝑟𝑦 =
1
𝛼𝜋
𝐾𝐼
𝜎𝑦𝑠
2
KI=Factor intensificador de esfuerzos.
ry=Tamaño de la zona plástica (m3).
α= 2 ó 6 (esfuerzo plano ó deformación plana).
σys= Esfuerzo de cedencia.
III.3. MODELO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA*.
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
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Consideraciones:
La deformación en la punta de la grieta varia como r -0.5 , donde r es la distancia
radial desde la punta de la grieta.
La tasa de emisión acústica observada N es proporcional a la tasa del incremento
del volumen del material deformado Vp entre εy (cedencia) y εu. (uniforme)
.
Estas consideraciones permiten el desarrollo de las siguientes ecuaciones para el
modelo, asumiendo α=2.
El modelo describe una relación entre Vp (volumen de materia deformado) y K4
(factor intensificador de esfuerzos)
2 22 2 4 4
2 2 4
4
4
1 1
2 2 4 4
plate thickness
V
u y
p y u
y u y u
p
K K BV r r B B K
E E E
B
K
N K
III.3. MODELO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA*.
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
Em
isió
n a
cú
sti
ca
(10
3 c
on
teo
s)
KI (103 lbf-in-2)
La importancia de este modelo se
encuentra en la correlación de la
emisión acústica observada
(causada por la deformación plástica
en la punta de la grieta) con el
estado de esfuerzos delante la
grieta.
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III.3. MODELO DE DEFORMACIÓN PLÁSTICA*.
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
Como en el modelo anterior se utilizan los conceptos de la mecánica elástica
lineal.
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III.4. MODELO DE FRACTURA LINEAL ELÁSTICA*.
* Nondestructive testing handbook – Acoustic Emission Testing
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CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
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La mecánica causante del crecimiento de una grieta también contribuye a la
ocurrencia de emisión acústica.
El factor intensificador de esfuerzos es determinado con ecuaciones de
mecánica de fractura y pueden ser correlacionado con la emisión
acústica generada.
El factor intensificador de esfuerzos esta relacionado con las dimensiones
de las grietas y con la condición de carga.
TRABAJO FUTURO.
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Se continua realizando experimentos para determinar, en casos específicos,
la relación entre AE y el tamaño de la zona plástica.
Es necesario estudiar el comportamiento de las grietas bajo condiciones de
carga bi-axiales.
Los protocolos de prueba deben ser calificados.
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