Materiales Navales Inspección por líquidos penetrantes

1. Objetivos
2. Procedimiento general del ensayo
3. Informe e interpretación de los resultados
5. Método de inspección por radiografía

1. Objetivos:

2. El objetivo de esta práctica es familiarizarse con las técnicas de líquidos penetrantes, observando y ejecutando el ensayo para detectar posteriormente defectos o discontinuidades en las piezas analizadas.

3. Procedimiento general del ensayo

La prueba por líquidos penetrantes es una técnica empleada para la detección de defectos superficiales tales como roturas, pliegues, inclusiones, porosidad, etc.. que se presentan en cualquier tipo de superficie, particularmente muy utilizado para piezas no magnéticas, en los que por lo tanto no se puede utilizar el método magnético. Los principales materiales que pueden ser examinados por este método son: aluminio y sus aleaciones, latón, bronce, titanio, magnesio, etc.

Las fallas o fisuras buscadas pueden deberse a fatiga del material, concentraciones del mismo, defectos de cordones de soldadura, etc. Y en cada caso se deberá determinar la localización y extensión de las mismas.

Básicamente el procedimiento del ensayo es el siguiente:

• Se toma muestra a analizar, normalmente diamagnética (en nuestro caso de acero), y se limpia su superficie de forma que quede libre de agua, aceite o cualquier otro agente contaminante.
• Se aplica, por pulverización mediante aerosoles, un líquido rojo intenso (líquido penetrante – generalmente materiales orgánicos) con un gran poder de penetración (baja tensión superficial) sobre la superficie para que entre en los posibles defectos de la pieza; se deja secar la pieza entre 15 – 20 min.
• A continuación se elimina el exceso de líquido penetrante mediante el líquido removedor a base de acetona. Para ello se impregna un papel tisue con el removedor y se frota con dicho papel la superficie de la pieza.
• Finalmente se aplica un tercer líquido blanco llamado revelador o fijador, con gran capacidad de absorción (base no acuosa – alcohol). Este líquido absorbe el penetrante que no ha quedado en las discontinuidades, quedando manchados de color rojo solo los lugares donde existen defectos. De este modo, a simple vista, ya se puede realizar la inspección.
• Tras la inspección se procede a limpiar de nuevo la pieza ensayada.

1. Informe e interpretación de los resultados

El ensayo se ha realizado sobre un rotor de una bomba.

A continuación se informan: propiedades de los líquidos utilizados en el ensayo y descripción de los defectos obtenidos.

1. 

   Seguidamente se muestra un croquis de la pieza ensayada en la que se destaca en color aquellas zonas donde se encuentran discontinuidades (en apartados posteriores se presentará una tabla en la que se describirán cada uno de los defectos).

2. Croquis de la pieza
3. Tipo de penetrante, removedor y revelador utilizados.

Los líquidos utilizados y sus propiedades son las siguientes:

• Penetrante:

Se ha utilizado un penetrante de color rojo.

Su aplicación a la pieza es mediante la pulverización con aerosoles.

Tipo: penetrante eliminable con disolventes.

Por ejemplo, uno penetrante de uso corriente son, el Ardrox 996P penetrante y el Ziglo ZL-1

– Eliminador:

Según el tipo de penetrante, tenemos un modo de eliminar el exceso de penetrante.

Tipo: en nuestro caso, al tratarse de un eliminable con disolventes, el removedor es un disolvente en fase líquida que se aplica sobre un papel impregnándolo y frotando la superficie de la pieza.

Un removedor utilizado es el Ardrox 996 PR 551 eliminador.

• Revelador:

Su aplicación sobre la pieza es a través de la pulverización.

Tipo: revelador húmedo compuesto de polvo blanco en suspensión de disolvente (que es el que se suele utilizar para los penetrantes rojos).

1. Condiciones de aplicación de los productos anteriores.

Las condiciones para la aplicación de los anteriores productos son fundamentalmente:

• El lugar debe ser no inflamable.
• El lugar debe estar ventilado.
• Se deben alejar de las fuentes de ignición.
• Los vapores no se deben respirar.
• No se deben tirar los residuos por el desagüe.
• Evitar la acumulación de cargas electrostáticas.

1. Los defectos que aparecen en la pieza se pueden resumir en uno solo. Tenemos varias fisuras radiales que se encuentran en la superficie evaluada, la superficie elegida es la más maltratada ya que el liquido que mueve la bomba tiene contacto directo con la misma y produce infiltraciones en el material, acentuándose las tensiones producidas en estas discontinuidades por el movimiento de la pieza.

   Tal y como se puede apreciar en el croquis de la pieza, los defectos tienen forma ramificada terminando con varios brazos cerca del borde.

2. Situación de los defectos y origen de los mismos.
3. Tipos, tamaño y forma de los defectos.

Una vez se ha secado el revelador, podemos realizar una inspección visual sobre la pieza. La pieza que hemos ensayado parece presentar varias discontinuidades cuyas características se presentan a continuación.

CONCLUSION

Este método es muy útil debido a su amplio campo de aplicación, a su simplicidad y a bajo su costo respecto de otros métodos. Se emplea para revisar partes de motores, ejes, fuselajes de aviones, soldaduras de aluminio y en fallas de no ferrosos. Se debe comprender que su uso es limitado ya que no se pueden observar fallas subsuperficiales, pero sin embargo es muy útil y muy preciso, estando este último directamente relacionado a la capacidad de penetración de los líquidos utilizados en la prueba.

METODO DE INSPECCION POR RADIOGRAFIA

Rayos X – Generación y propiedades físicas

Los rayos X son radiaciones electromagnéticas de 1a misma naturaleza que la luz ordinaria pero de una longitud de onda mil veces menor, razón por la cual son capaces de atravesar loe espacios interatómicos de loe materiales, resultando, además invisibles al ojo humano. También pueden ser difractados en la misma forma que la luz dando un espectro característico.

Se generan por el llamado "efecto fotoeléctrico", por el cual si a un electrón animado de una velocidad determinada lo frenamos bruscamente, transformará su energía cinética en radiante según la relación:

donde:

m: masa del electrón

v: velocidad del electrón

h: constante de Plank

u : frecuencia de la radiación emitida.

Para, obtener una fuente continua de electrones se recurre a1efecto Edison que consiste en lo siguiente si se calienta un conductor metálico por el paso de una corriente eléctrica, al ponerse el mismo al rojo, los electrones libres tratarán de desprenderse y formarán una nube alrededor del conductor, atraídos por la carga eléctrica positiva que se ha formado en el mismo como consecuencia de la salida de dichos electrones.

Si ahora se establece un campo eléctrico entre el conductor y un polo positivo determinado, con una diferencia de potencial entre ambos, los electrones en virtud de su carga negativa se precipitarán sobre dicho polo positivo y en el choque transformarán su energía cinética en radiante.

Con tales principios se construye el tubo de Coolidge que consiste esencialmente en una ampolla de vidrio dentro d la cual se hace vacío para evitar perturbaciones de las partículas de aire y en el que se colocan el ánodo y el cátodo. El primero está formado por una placa de metal pesado, preferentemente tungsteno y el segundo por un filamento conductor metálico.

Mediante el paso de una corriente secundaria se pone el cátodo incandescente precipitarán sobre este último convirtiéndolo en pantalla emisora de rayos X. Dado 'al fuerte calentamiento que sufrirá el ánodo por el bombardeo electrónico, es necesario refrigerarlo mediante circulación de aceite.

El circuito electrónico consiste en uno principal con un transformador da alta tensión para establecer la diferencia de potencial entre ánodo y cátodo y otro secundario, a fin de alimentar la corriente secundaria. Dada una diferencia V de potencial, los electrones adquirirán una velocidad v tal, que:

Siendo m.u = c (por física, c: velocidad de la luz)

, entonces,

Remplazando valores, llegaríamos a:

Aº: Amstrong: unidad de medida equivalente a 10^-8cm

Kv: kilovolts.

Esta longitud de onda, mínima para cada voltaje, se denomina longitud de onda límite, y los rayos se llaman duros o blandos según que la misma sea pequeña o grande.

En toda radiación electromagnética hay que considerar dos características: calidad y cantidad, la primera esta dada por la longitud de onda y la segunda por la intensidad.

Hasta ocuparnos de esta ultima magnitud, La misma dependerá de1 número de electrones disponibles, el que a su vez será función de la temperatura del I filamento y de la diferencia de potencial aplicada en el tubo.

En general, la intensidad es proporcional a estas variables:

Intensidad de corriente que circula por el filamento.

Cuadrado de la diferencia de potencial V aplicada.

Numero atómico N del metal del ánodo.

Siendo K una constante, la intensidad I de la radiación será:

La radiación emitida no será monocromática, sino que variará entre diversos valores de longitud de onda, pero la mayor parte de ésta estará constituida a por rayos cuya longitud de onda es cercana a la mínima, pudiendo por tanto usarse directamente.

Cuando se necesita trabajar con rayos monocromáticos, se pueden obtener fácilmente filtrando la radiación policromática con filtros de materiales adecuados.

E1 rendimiento del tubo estará dado por la relación entre la energía de la radiación producida y la aplicada al tubo.

Esta ultima será: Ee = Vi y el rendimiento del tubo:

Generalmente el rendimiento es del orden de 7 a 9 mm.

Rayos c Generación, y propiedades:

Los rayos son radiaciones electromagnéticas de la misma naturaleza, que los rayos X, diferenciándose de los mismos en que su longitud de onda es cien veces menor.

Sus propiedades son las mismas que las de los rayos x si bien mucho más marcadas y su poder de penetrar en los materiales en mucho mayor.

Se generan por desintegración del radio y otros elementos radioactivos. El primer producto de la desintegración del radio es el radón, un gas inerte que a su vez produce los rayos c .

Dada la gran actividad del radio nunca se usa puro sino en forma de sales, como el bromuro y sulfato de radio.

E1 alto costo de las fuentes de radio, asi como su corta duración, limitaron el uso de loa rayos c , hasta que la aparición de los isótopos artificiales resolvió el problema.

Se conocen con el nombre de isótopos aquellos cuerpos cuya naturaleza química es la misma del elemento original, pero su peso atómico es diferente.

En las pilas atómicas, mediante el bombardeo de neutrones, se pueden obtener isótopos de casi todos los cuerpos conocidos. En general son inestables y muchos de ellos dan rayos c por desintegración.

Se define como "vida media" de una fuente radioactiva al periodo de tiempo necesario para que la misma pierda el 50/G de su potencia original.

La potencia, a su vez, se mide en Curie, designándose con tal nombre la energía producida por le cantidad de radón en equilibrio con un gramo de radio.

En la práctica se usa el "Milicurie" o sea la milésima parte del Curie.

Se indican, a continuación, los principales radioisotopos usados en la industria, así como su energía de desintegración, vida media y poder de penetración en espesores de acero.

Equipo de rayos X:

Esta constituido por un tubo emisor formado por una ampolla de vidrio que lleva en su interior el ánodo y cátodo y que se halla encerrado en una cubierta provista de un sistema de refrigeración mediante circulación de aire o aceite.

La refrigeración es imprescindible dado que ese trabaja con elevadas tensiones e intensidades (200

000V y 10 miliampers) que se transforman en 2 Kw de calor en la superficie del ánodo. Los tubos pueden ser bipolares, en los que se aplica la tensión al ánodo y al cátodo, o monopolares en los que el ánodo se conecta a tierra. El tubo emisor se coloca sobre un soporte universal a fin de acercarlo al objeto a radiografiar y orientarlo en cualquier dirección.

Equipo de Rayos c :

Para obtener una gammagrafia hasta colocar el elemento radioactivo frente al objeto a ensayar, sujetando detrás de éste el chasis con la película.

El elemento radioactivo, cuando no se usa debe ser alojado en un recipiente de aleación especial que absorba las radiaciones. Estos recipientes se fabrican con plomo o aleaciones de wolframio prefiriendo estas últimas por su menor peso y mayor resistencia.

Reconocimiento de un cuerpo mediante examen radiográfico:

Los rayos X y los rayos c se usan en la industria para penetrar los materiales opacos y obtener imágenes permanentes del resultado sobre una placa o película sensible.

Cuando los materiales poseen una estructura uniforme pero presentan huecos, sopladuras o defectos internos, al ser atravesados por radiaciones, la absorción en estos últimos será mucho menor que en la zona uniforme. Si detrás del objeto radiado se coloca una película sensible, se obtendrá una imagen con zonas claras y oscura, estas últimas en correspondencia con los defectos.

El primer problema que se presenta consiste en determinar las características de la radiación a emplear; las mismas están dadas, por la intensidad y la longitud de onda.

En el caso de los rayos X dichas características dependen del kilovoltage y miliamperaje del tubo emisor.

La dosis necesaria para ennegrecer la placa será mayor cuanto más duros sean los rayos, razón por la cual deberá ser determinada para cada longitud de onda.

Esta dosis puede medirse en intensidades –tiempo, o sea en los miliamperios- segundo de corriente que para cada voltaje producen una radiación capaz de atravesar el cuerpo e impresionar la placa.

Si representamos en un gráfico logarítmico loe millamperios-segundos necesarios para atravesar distintos espesores, para cada voltaje distinto, veremos que los primeros varían linealmente con los segundos y en tal forma podremos conocer fácilmente la dosis, necesaria para cada espesor a radiografiar.

En la figura XXX observamos un ejemplo para las aleaciones de, aluminio.

La cantidad de radiación recibida está dada por la formula:

Donde I es la intensidad de corriente que atraviesa el tubo, V el voltaje, N el número atómico del ánodo y d la distancia del foco emisor al objeto.

Al aumentar el voltaje disminuye la longitud de onda de la radiación y aumenta por tanto su penetrabilidad.

En el caso de la gammagrafía, existen gráficos como el que aparece en la figura XXX, que permiten calcular el tiempo de exposición.

Para ello, conociendo el espesor de la pieza en este caso acero y el radioisótopo usado, obteniéndose el factor de exposición y siendo:

F: Factor de exposición

S: Espesor de acero

A: Actividad de la fuente, en miliamperios.

D.: Distancia a la fuente en cm.

Tenemos:

Siendo T el tiempo de exposición necesario en cada caso.

Las películas para radiografía están constituidas por acetato de celulosa impregnado en sus dos caras por una emulsión de bromuro de plata. La doble emulsión duplica el contraste y permite abreviar el tiempo de exposición.

También pueden usarse hojas reforzadas que para los rayos X están constituidas por películas con emulsión de tungstato de calcio, que bajo la acción de los rayos X se vuelve fosforescente. La película se coloca entre dos hojas reforzadoras, una gruesa por detrás y una fina por delante. Así se impresiona por la acción de los rayos X y la luz emitida por el tungstato de calcio. El tiempo de exposición se reduce así de 10 a 15 veces.

En el caso de usarse rayos c , el mismo efecto se logra por el medio de láminas de plomo.

Una buena radiografía deberá registrar todos los defectos que existen en la pieza, aún los más pequeños, lo que dependerá del contraste de las zonas adyacentes. Para esto último tiene importancia que el tamaño del foco emisor sea mayor que el del defecto y que la relación entre la distancia del foco a la pieza a examinar con respecto al espesor de la misma sea mayor que siete (D/e>7) prefiriéndose relaciones mayores de treinta.

Para localizar la ubicación en profundidad de los defectos dentro de la pieza es necesario tomar dos radiografías desplazando el foco emisor paralelamente a la dirección de la película; también pueden usarse localizadores especiales.

Aplicaciones:

La radiografía, lo mismo que los demás ensayos no destructivos pueden usarse como control de calidad de piezas terminadas o en proceso de fabricación y además en el mantenimiento de equipos y máquinas.

En el primer caso su principal aplicación ha sido hasta ahora el campo de las fundiciones en general, permitiendo apreciar la existencia de sopladuras internas y otras fallas estructurales; y en caldería para controlar remachaduras, los cordones de soldaduras, etc.

Actualmente dado el gran desarrollo alcanzado por la soldadura ja encontrado aquí uno de sus campos de aplicación más interesantes. Los principales defectos de la soldadura investigables con la radiografía son: oclusiones gaseosas, inclusión de escoria, fallas de penetración, falta de unión o de fusión, grietas, etc. Siendo el depósito de metal fundido más compacto que el del metal base, la soldadura se verá en el negativo como una zona clara y los defectos como manchas oscuras fáciles de identificar.

El control que puede realizarse de las soldaduras por medio de la radiografía ha permitido extender considerablemente su uso, dado que en las construcciones soldadas el factor de seguridad es muy importante.

Precauciones de seguridad:

Los rayos X deberán conducirse de modo que los operadores no queden expuestos a su acción. Los isótopo radioactivos cuando no se utilizan estarán encerrados en recipientes de protección y cuando están fuera de los mismos hay que situarse a distancia o protegerse con placas de plomo. Su manipuleo se hará con guantes y pinzas especiales. La exposición prolongada a las radiaciones puede producir amnesia, descenso de la presión arterial y del número de glóbulos blancos así como quemaduras en la piel. Los operadores deben controlar su nivel de radiación semanalmente.

Amplitud del Ensayo Radiográfico

Interpretación de los resultados:

La correcta interpretación de una radiografía exige una correlación inequívoca entre la radiografía obtenida, el espectro examinado y la zona de este a que corresponde la misma. Para esto se utilizan números con los datos y la fecha del ensayos.

Densidad radiográfica:

Es el grado de ennegrecimiento de la película expuesta. Se define como:

siendo:

Ii = intensidad de luz incidente;

It = Int. De luz transmitida;

D. = Densidad fotográfica (de 1,8 a 3,5)

Proceso de revelado de la película:

1. Aplicación del Revelador (a 20ºC durante 5´),
2. Baño de parada, solución de agua y ácido acético (de 30 a 60´)
3. Fijado,
4. Lavado final,
5. Secado.

Exposición radiográfica:

La mejor definición de la imagen radiográfica se consigue cuando la fuente emisora de la radiación es pequeña, la distancia fuente – objeto es grande y la distancia objeto – película es pequeña. La falta de nitidez o penumbra capáz de ser detectada por el ojo humano es de 0,5mm para espesores de hasta 51mm.

Sensibilidad y calidad radiográfica:

En un objeto sometido a examen radiográfico, la percepción de los posibles defectos que puede presentar dependen de la cantidad de imagen como de la sensibilidad. Para determinar la sensibilidad se utilizan indicadores de Calidad de Imagen.

Indicadores de Hilos: segün la norma DIN 54109/62 Indicadores de Puntos: según la norma ASTM E-142-72

Tomando como ejemplo la norma DIN, el valor de la Sensibilidad expresado en tanto por ciento:

DE =

La sensibilidad DE% es un valor relativo que depende del espesor de la pieza a radiografíar.

El I.C.I. BZ es un valor absoluto independiente del espesor y es número de orden del hilo más fino que se ve en la radiografía.

Siempre, se deben colocar los I.C.I. sobre la probeta en las zonas de mayor espesor, o en aquellas zonas donde la radiación no es perpendicular a la pieza.

Según la norma se clasifican en dos categorías:

– Según la DIN:

1. Radiografías de Alta Sensibilidad,
2. Radiografías de sensibilidad normal.

– Según la ASTM:

1. Niveles Normales de Calidad: 2-1t, 2-2t y 2-4t,
2. Niveles especiales de calidad: 1-1t, 1-2t y 4-2t.

Como regla general, el nivel de Sensibilidad radiográfica debe ser por lo menos un 2%.

EXPERIENCIA REALIZADA EL DIA 1/6/04

En el Laboratorio de Mediciones y Ensayos Industriales de la Facultad Regional Buenos Aires de la Universidad Tecnológica Nacional, se realizo una pequeña prueba de cómo funciona el equipo de radiografía industrial del cual se dispone, las características de este equipo son:

• Marca: Philips
• Capacidad de tensión: 200 KV
• Capacidad de corriente: 5 mA.
• Diámetro del foco emisor: 2,5mm.

Dado que no se deponía de suficiente tiempo como para hacer la radiografía y el revelado de la película, se procedió a analizar algunas radiografías hechas por el personal del laboratorio.

Utilizando un megatoscopio, se pudo observar mejor las fallas. Este aparato es una generador de luz muy potente, que se utiliza para ver con mejor definición las fallas y defectos.

Observamos alrededor de 10 placas, realizadas con equipos de Rayos-X y de Rayos-c , en las que se encontraron fallas de los siguientes tipos:

• Fisuras;
• Socavaduras;
• Rechupes;
• Falta de penetración en soldadura manual;
• Nido y exceso de poros en soldaduras.

NOTA:

En el trabajo práctico " Resumen de Fallas detectadas por Ensayos No Destructivos", se indican con detalle las observaciones realizadas en cada placa y se hace una pequeña referencia de su causa.

CONCLUSIONES

El ensayo no destructivo mediante radiografía industrial por rayos X o rayos gamma no presenta dificultades ante la mayoría de los materiales metálicos, es apto para la detección de fallas internas permitiendo además la caracterización de las mismas. Nos da un registro de la imagen obtenida, ofreciendo la posibilidad de observar defectos internos y la observación de piezas de espesor mayor a los 100 mm. Sin embargo aún en la actualidad es un ensayo caro, no es portátil, es peligroso para el operador debido a las radiaciones a las que puede quedar expuesto, en comparación con otros ensayos no destructivos en los que se utilizan partículas magnetizables y ultrasonido.

Universidad Tecnológica Nacional

Facultad Reg. Buenos Aires

Ingeniería Naval