“Estudio de la efectividad del ensayo de ultrasonido para inspección

“Estudio de la efectividad del ensayo de ultrasonido para
inspección estructural a aceros A 37 -24 ES de calidad SAE
1020.”
Tesis para optar al Título de:
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Patrocinante
Héctor Pesenti Pérez
Doctor de Investigación en Ingeniería en Materiales
Profesor Co-Patrocinante
Rolando Ríos Rodríguez
Ingeniero Mecánico, M. Sc. Ingeniería Mecánica
EDUARDO JAVIER RODRÍGUEZ PAREDES
VALDIVIA – CHILE
2014
Agradecimientos.
Mis sinceros agradecimientos a cada una de las personas que me han ayudado a llegar aquí: a
toda mi familia, a mis amigos, a los que me han dado su apoyo de una u otra forma.
A mi madre, Miguelina, por todo el apoyo que me ha brindado durante toda mi vida.
ÍNDICE
PÁGINA
Capítulo I:
Antecedentes generales
1
1.1. Introducción
2
1.2. Antecedentes bibliográficos
2
1.3. Planteamiento del problema
5
1.4. Objetivos
6
1.4.1.Objetivo general
6
1.4.2.Objetivos específicos
6
1.5. Metodología de trabajo
6
1.6. Alcances y limitaciones
7
Capítulo II:
Fatiga de materiales
8
2.1. Definición de la fatiga
9
2.2. Predicción de la falla por fatiga
10
2.2.1.Método de la tensión
11
2.2.2.Mecánica de fractura
12
2.2.2.1.
Balance de energía de Griffith
2.3. Heat Tinting
Capítulo III:
Ensayos no destructivos
12
14
16
3.1. Definición de ensayos no destructivos
17
3.2. Elementos básicos de un ensayo no destructivo
17
3.3. Rendimiento de la inspección
18
3.4. Balance económico
19
3.5. Técnicas de ensayos no destructivos más usuales
19
3.5.1.Técnica de emisión acústica
20
3.5.2.Radiación penetrante
21
3.5.3.Termografía
22
3.5.4.Visual o manual
23
3.5.5.Líquido penetrante
24
3.5.6.Electromagnetismo
25
3.5.7.Prueba de estanqueidad
27
3.5.8.Ultrasonido
27
Capítulo IV:
Ultrasonido
4.1. Teoría del ultrasonido
31
32
4.1.1.Tipo de ondas ultrasónicas
32
4.1.2.Detección de discontinuidades
33
4.1.2.1.
Método de resonancia
34
4.1.2.2.
Método de transmisión o intensidad
34
4.1.2.3.
Método de pulso-eco
34
4.2. Palpadores
35
4.2.1.Palpadores de contacto directo
4.2.1.1.
Palpadores normales o rectos
36
4.2.1.2.
Palpadores angulares
36
4.2.2.Palpadores de inmersión
4.3. Requisitos para la creación de procedimientos para inspección
Capítulo V:
35
Aplicación a inspección estructural
36
37
39
5.1. Antecedentes
40
5.2. Determinación de la tenacidad a la fractura
40
5.3. Determinación de la peligrosidad del defecto
42
Capítulo VI:
Diseño metodológico
6.1. Equipos utilizados
6.1.1.Máquinas prefisuradoras en tres puntos
46
47
47
6.1.1.1.
Máquina prefisuradora 1997 GMF LPM
47
6.1.1.2.
Máquina prefisuradora 2009 GMF LPM
48
6.1.2.Equipo para inspección por ultrasonido
6.1.2.1.
Calibración del equipo
48
49
6.1.2.2.
Parámetros calibrados
51
6.1.2.3.
Interpretación de los reportes del equipo
51
6.1.2.4.
Palpadores
53
6.2. Procedimiento de inspección por ultrasonido
53
Capítulo VII:
Ensayos y resultados
55
7.1. Inspección previa
56
7.2. Preparación de las muestras
56
7.3. Metodología de ensayo
60
7.3.1.Prefisuración por fatiga
60
7.3.2.Medición externa de las prefisuras por fatiga
64
7.3.3.Ensayo de tintado
72
7.3.4.Medición de las fisuras con ultrasonido
72
7.3.5.Medición de las fisuras mediante ensayo destructivo
73
7.4. Comparación de resultados
78
Capítulo VIII:
Discusión de resultados
79
Capítulo IX:
Conclusiones
82
9.1. Comentarios
83
9.2. Conclusiones
83
Capítulo IX:
Recomendaciones
84
Bibliografía
86
Anexos
89
Anexo 1:
Especificaciones técnicas y características del equipo para
inspección por ultrasonido TUD310.
Anexo 2:
89
Reporte de inspección previa a los ensayos. Inspección en
espesor igual a 20 [mm] con palpador recto.
91
Anexo 3:
Reporte de inspección previa a los ensayos. Inspección en
espesor igual a 45 [mm] con palpador con ángulo 60⁰.
Anexo 4:
92
Reporte de inspección previa a los ensayos. Inspección en
espesor igual a 45 [mm] con palpador recto.
93
Anexo 5:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,3.
94
Anexo 6:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,4.
95
Anexo 7:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,5.
96
Anexo 8:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,6.
97
Anexo 9:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,7.
98
Anexo 10:
Reporte de inspección probeta a/w = 0,8.
99
ÍNDICE DE FIGURAS Y TABLAS
PÁGINA
FIG. N⁰1. Curva S-N descrita por Wöhler (1 centímetro por Zoll2 = 0.75 Mpa).
10
FIG. N⁰2. Utilidad de los NDT frente a la ocurrencia de defectos.
28
FIG. N⁰3. Rango de detección de los NDT.
29
FIG. N⁰4. Utilidad de los métodos de ensayos no destructivos para la
fatiga (aplicada a los puentes).
30
FIG. N⁰5. Diagrama de los espesores a considerar en los ensayos de
tenacidad a la fractura.
41
FIG. N⁰6. Probetas para determinar la tenacidad a la fractura.
42
FIG. N⁰7. Criterio para evaluación de interacción de defectos.
44
FIG. N⁰8. Niveles de análisis en inspección estructural.
45
FIG. N⁰9. Máquina prefisuradora 1997 GMF LPM.
47
FIG. N⁰10. Máquina prefisuradora 2009 GMF LPM.
48
FIG. N⁰11. Detector de Fallas por Ultrasonido modelo TUD310.
49
FIG. N⁰12. Bloque de referencia I.I.W. V1.
50
FIG. N⁰13. Parámetros entregados por el equipo TUD310.
52
FIG. N⁰14. Dimensiones internas en las probetas.
57
FIG. N⁰15. Estado inicial de las probetas utilizadas.
58
FIG. N⁰16. Rectificación de las caras superiores e inferiores de las probetas.
59
FIG. N⁰17. Probetas terminadas para ser ensayadas.
60
FIG. N⁰18. Software utilizado para calcular los desplazamientos y cargas máximas.
61
FIG. N⁰19. Forma de ensayo de prefisuración.
63
FIG N⁰20. Prefisura en probeta a/w=0,3.
66
FIG N⁰21. Prefisura en probeta a/w=0,4.
67
FIG N⁰22. Prefisura en probeta a/w=0,5.
68
FIG N⁰23. Prefisura en probeta a/w=0,6.
69
FIG N⁰24. Prefisura en probeta a/w=0,7.
70
FIG N⁰25. Prefisura en probeta a/w=0,8.
71
FIG N⁰26. Desarrollo de fisuras en las probetas ensayadas.
74
FIG N⁰27. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,3. Corte transversal.
74
FIG N⁰28. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,4. Corte transversal.
75
FIG N⁰29. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,5. Corte transversal.
75
FIG N⁰30. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,6. Corte transversal.
76
FIG N⁰31. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,7. Corte transversal.
76
FIG N⁰32. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,8. Corte transversal.
77
Tabla N⁰1. Tamaño crítico de fisura correspondiente a cada espesor de probeta.
41
Tabla N⁰2. Parámetros calibrados utilizados según cada palpador.
51
Tabla N⁰3. Tipos de palpadores usados.
53
Tabla N⁰4. Dimensiones de las fisuras y entallas según las probetas.
56
Tabla N⁰5. Cargas y desplazamientos máximos entregados.
62
Tabla N⁰6. Resumen de los ensayos de prefisuración.
62
Tabla N⁰7. Prefisuradora utilizada para cada probeta.
63
Tabla N⁰8. Longitud de las prefisuras medidas con microscopio.
64
Tabla N⁰9. Corroboración de las razones de las probetas.
65
Tabla N⁰10. Longitud de fisura medida a través de ultrasonido.
73
Tabla N⁰11. Longitud de fisura medida luego del ensayo destructivo.
77
Tabla N⁰12. Longitud de fisura medida luego del ensayo destructivo.
78
RESUMEN
La inspección estructural es muy importante en la ingeniería civil, especialmente en aquellas
construcciones que son solicitadas de forma dinámica. En este contexto, debido a sus visibles ventajas, la
inspección por ultrasonido es protagónico. Sistemas activos de inspección estructural con mediciones de
ultrasonido son utilizados en otros países. Debido al alto costo, en Chile no se aplican sistemas activos de
monitoreo, por lo que la creación de sistemas simples de inspección es necesaria. Estudios recientes
demuestran que es muy viable crear estos sistemas simples de forma interdisciplinaria con la Mecánica
de Fractura, una rama de la mecánica.
En este estudio se verificó en primera instancia los resultados entregados por el método de
ultrasonido. Para esto, se realizaron inicialmente ensayos de prefisura en seis probetas de acero
estructural A 37 - 24 ES de calidad SAE 1020, cada una con una longitud de fisura diferente. Se
efectuaron lecturas con ultrasonido de los defectos generados, y se compararon con mediciones directas
generadas por ensayo destructivo.
Los resultados obtenidos de esta comparación muestran que este método entrega resultados
muy aceptables. Presentándose un error promedio del 2,38%, se ha verificado que este ensayo es muy
útil al momento de aplicarlo en obras civiles. Los errores más bajos obtenidos son de alrededor del 0,4%,
y el más alto es de un 7,82%, con lo cual se infiere probablemente un error de lectura.
Por otro lado, se consiguió generar un método teórico de inspección estructural por medio de
lecturas con ultrasonido y metodologías utilizadas en mecánica de fractura. Se establecen valores
máximos admisibles de fisura en base a ensayos de tenacidad a la fractura, aplicado a diversos espesores
de acero estructural comercial. Luego se evalúa la peligrosidad de los defectos encontrados aplicados a
los primeros niveles de inspección estructural.
ABSTRACT
The structural inspection is important in civil engineering, especially in buildings that are
dynamically loaded. In this context, because of its visible benefits, ultrasonic testing is leading. Active
systems structural inspection with ultrasound measurements are used in other countries. Because of the
high cost, active systems are not applied in Chile, so creating simple inspection systems is necessary.
Recent studies show that it is very feasible to create these interdisciplinary systems with Fracture
Mechanics, a branch of mechanics.
Results presented by ultrasound testing were verified in the first instance. Pre-crack testing was
performed on six samples of structural steel A 37-24 ES SAE Grade 1020, with different crack length
each. Ultrasound readings were generated in defects, and compared with direct measurements
generated by destructive testing.
Results of this comparison show that this method exhibits very acceptable results. Whit an
average error of 2.38%, this testing was verified and shows its benefits for civil engineering applications.
Lowest errors obtained are around 0.4% and highest is 7.82%, probably by reading error.
Moreover, theoretical structural inspection method was generated using ultrasonic readings and
methodologies used in fracture mechanics. Maximum permissible values of crack based on fracture
toughness were established, applied to several thicknesses of structural steel commercial. Danger of
defects found applied to the first levels of structural inspection were evaluated.
Capítulo I
Antecedentes generales
Capítulo I:
Antecedentes generales
1
Capítulo I
1.1.
Antecedentes generales
Introducción
En el campo de la ingeniería y construcción se utilizan diversos materiales. Entre ellos destacan
principalmente el acero, el hormigón armado, la albañilería y la madera. Todos estos conforman
sistemas estructurales complejos como lo son edificios, muros de contención, puentes, entre otros. Cada
tipo de sistema estructural, y por ende cada material, presenta problemas asociados a su utilización. Uno
de los problemas puntuales asociados a estructuras que son solicitadas frente a cargas cíclicas y que son
fabricadas con acero estructural (los puentes por ejemplo), son las grietas producidas por fatiga.
La presencia de estos defectos puede ser muy perjudicial tanto para la serviciabilidad de la
estructura como para su vida remanente. Es por esto que diferentes sistemas de inspección han sido
creados y constantemente utilizados. Los métodos que se utilizan en la actualidad se engloban,
principalmente, en una categoría llamada “ensayos no destructivos”.
Dentro de la gama de ensayos no destructivos, uno ha sido muy utilizado en los últimos años
debido a su versatilidad, su capacidad de transporte al lugar de inspección y su confiabilidad certificada,
este es el ultrasonido.
El ultrasonido es usado muy comúnmente en inspección en diversas áreas, tales estructural,
industrial, aeroespacial, entre otros. La gran mayoría de estas inspecciones se basan en la presencia y
características de las fisuras pero no se analiza con gran detalle el daño que ésta pueda causar en
realidad desde un punto de vista de mecánica de materiales.
Como se muestra a continuación, el ensayo de ultrasonido, en conjunto con una rama de la
Mecánica llamada Mecánica de Fractura están siendo utilizados de forma sinérgica como aplicación
para la inspección estructural.
1.2.
Antecedentes bibliográficos
Mabuza et al. (2012) destacaron la necesidad de métodos de prueba ultrasónicas para el estudio
de los problemas de la Mecánica de Fractura, teniendo en cuenta las fallas en las placas de acero. Fue
realizada una simulación computacional de la propagación de defectos basada en una integración
numérica de la ecuación de Paris. Además fueron presentados los resultados teóricos y experimentales
2
Capítulo I
Antecedentes generales
para ambos tópicos; la mecánica de fractura y las disciplinas de ensayo ultrasónicas. Finalmente se llegó
a la conclusión que ambas disciplinas son complementarias y se influyen mutuamente.
Yuan et al. (2006) mostraron un método para la medición de la vida remanente de un puente de
acero de acuerdo al enfoque de la mecánica de fractura. Se incluyó un proceso de inspección ultrasónica
de un elemento de la estructura de acero y se utilizaron datos medidos in-situ para corregir los datos
analógicos a fin de aumentar la precisión de cálculo. Dicho método de medición constó de siete etapas:
la modelación estructural del puente, corrección de la modelación mecánica, modelado de la carga de
tráfico, corrección de la carga de tráfico, inspección ultrasónica, el modelado del elemento
inspeccionado con mecánica de fractura y la evaluación técnica de la estructura del puente.
Reale et al. (1993) publicaron un estudio donde se comparan e identifican las diferencias en los
criterios de aceptación de defectos de las normas italianas de END, con el fin de sugerir algunas pautas
para una futura norma europea común. Luego se examinan las normas adoptadas en Francia (RCC- MR),
Alemania (DIN), Italia (ASME) y Reino Unido (BSI). La investigación se concentra en dos métodos de
inspección: ultrasónica y radiográfica. Los criterios de aceptación de defectos en estas normas relativas a
la inspección no destructiva, realizadas en un componente durante la fabricación, son comparados y
evaluados por la Mecánica de la Fractura. Finalmente se dan pautas generales y los resultados apoyan la
importancia del enfoque de Mecánica de la Fractura.
Kurz et al. (2010) presentaron un estudio sobre la evaluación del riesgo de fractura en
componentes estructurales a través de una simulación computacional, que tiene como base la
integración de la inspección no destructiva cuantitativa y la mecánica de fractura probabilística. En el
estudio se evaluó la falla bajo cargas estáticas evaluándolas con el formato conocido como Diagrama de
Evaluación de Falla (DEF). El riesgo de fractura se evaluó en términos probabilísticos, donde el patrón
probabilístico superpuesto sobre el determinista se implementó a través de un muestreo. La simulación
de fractura probabilística se obtuvo en términos de probabilidad de falla. La capacidad para simular la
calidad y la fiabilidad de la inspección no destructiva (IND) es una característica importante de este
enfoque. Esto se logró mediante la integración de algoritmos, análisis probabilístico de DEF y la
probabilidad de detección. Finalmente se pudo demostrar que este procedimiento se puede utilizar
como una herramienta para la inspección basada en tiempo de vida remanente.
Grover y Saxena (1999) explican que el crecimiento de grietas por fatiga es de importancia en la
3
Capítulo I
Antecedentes generales
estimación de la vida útil remanente. El enfoque de la mecánica de fractura es útil para la caracterización
del crecimiento de estas grietas en condiciones de servicio y en las condiciones de operaciones que se
consideran seguras. Métodos experimentales y analíticos se han desarrollado para caracterizar el
crecimiento de las grietas bajo fluencia (creep), combinada con las condiciones de carga que provocan.
Los enfoques analíticos que se han propuesto para caracterizar éstas están limitados en su aplicación.
Esto, según explican, se debe a que se no tienen en cuenta de forma completa los efectos de la
interacción creep-fatiga en la modelación, y, por tanto, no es posible estimar con precisión la vida
remanente promedio. Grover et al (1999) crean un nuevo parámetro llamado reversión de la fluencia
(CR), que se define para cuantificar el grado de interacción del creep y la fatiga en la grieta, y se utiliza en
un esquema analítico promedio para cuantificar la vida remanente promedio. Los valores promedio de
la vida remanente calculados por este método son comparados con los valores obtenidos
experimentalmente, lo que proporciona una verificación experimental de este enfoque, obteniendo
resultados positivos.
Rodríguez (2012) presenta en su tesis doctoral un sistema automatizado de inspección no
destructiva de materiales usando ultrasonido para la detección de heterogeneidades en piezas metálicas,
en concreto y de acero al carbono de tipo S275JR. Para ello se utilizaron guías lineales que fueron
automatizadas con motores paso a paso cuyo movimiento se controló desde un computador, mediante
una aplicación gráfica diseñada específicamente para su trabajo. Una vez detectados los defectos, fue
posible efectuar la clasificación de los defectos según morfología, posición y tamaño con programas que
utilizan algoritmos basados en reconocimiento de patrones. Tras su ejecución se obtienen los informes
de los resultados indicando la estimación de los datos buscados.
Zahavi et al. (2000) explican el método de la tensión, el cual se debe entender para este estudio.
Este se basa en las teorías de la elasticidad y plasticidad. Originalmente fue iniciado por Manson (1954) y
Coffin (1954). Las investigaciones de Morrow (1965) y Socie (1977) han expandido y perfeccionado el
método. La base teórica del método se dirige a dos atributos que son creados por las cargas: una
deformación elástica existente por debajo del límite de elasticidad del material y una deformación
plástica que aparece por encima de ella.
4
Capítulo I
1.3.
Antecedentes generales
Planteamiento del problema
En países como Estados Unidos, Italia, Alemania, España, entre otros, la inspección estructural es
muy importante. El llamado “Monitoreo de salud estructural”, que combina la captura de datos de una
obra civil con el análisis estático/dinámico de la misma, resulta ser algo muy importante en grandes
estructuras, siendo aplicado como sistema activo de inspección. En éste, los datos se consiguen desde
una red sensorial no destructiva, desde la cual se obtienen indicadores que permiten detectar anomalías
(daños o degradación) en una estructura.
En vista que nuestro país actualmente no está en condiciones de aplicar sistemas de monitoreo
estructural debido a su gran costo, la opción más próxima y conveniente resulta ser un sistema de
inspección estructural. Sin embargo, este tema se ha desarrollado poco en Chile, por lo que la creación
de formas de inspección se hace necesaria.
El estudio presentado en este documento genera una verificación del método de inspección por
ultrasonido, comparándose las lecturas de éste con los mostrados por un método de ensayo destructivo
mostrándose el porcentaje de error para analizar la conveniencia de esta técnica no destructiva en la
inspección estructural.
Además se presenta una aplicación del ultrasonido en la inspección estructural, basada en
metodologías y conceptos de la mecánica de fractura y respaldado por una norma americana del
Instituto Americano del Petróleo (American Petroleum Institute, API).
La conveniencia de este estudio radica en dos puntos: el primero versa sobre la verificación de
uno de los métodos más usados como técnica de ensayo no destructivo como lo es el ultrasonido. La
segunda ventaja, se presenta una forma teórica de inspección para determinar la vida remanente de un
elemento de acero estructural, en base a una simple inspección de ultrasonido y un posterior análisis de
los datos y condiciones de la estructura obtenidos en terreno.
5
Capítulo I
1.4.
Antecedentes generales
Objetivos
1.4.1. Objetivo general
Evaluar y validar la efectividad del ensayo de ultrasonido para inspección estructural a acero A
37-24 ES de calidad SAE 1020 aplicado a obras civiles, mediante comparación con un ensayo destructivo.
1.4.2. Objetivos específicos
a) Realizar mediciones indirectas de las fisuras por medio de ultrasonido.
b) Realizar mediciones directas por medio de ensayos de prefisura, “heat tinting”, y posterior,
ruptura mecánica.
1.5.
Metodología de trabajo
En este estudio se generaron, en primer lugar, probetas de 100x45x20 [mm] las cuales son
compradas y entregadas con las caras irregulares, no aptas para ensayo. Estas probetas son de acero
estructural A 37 – 24 ES y de calidad SAE 1020, muy frecuentes en el ámbito de la ingeniería estructural.
Fueron consideradas seis probetas de longitud de fisura diferente para tener una muestra
representativa. Luego se procedió a mecanizarlas en la Universidad Nacional de Comahue (UNCOMA),
en la ciudad de Neuquén, Argentina, donde se hicieron los primeros ensayos.
Una vez acondicionadas las probetas aptas para el ensayo (mecanizadas y con las entallas) se
procedió a ejecutar los ensayos de prefisura en los laboratorios de propiedades mecánica de la
UNCOMA. Además se adoptó un ensayo llamado “heat tinting” el cual se realizó en la UACh.
Una vez realizado el heat tinting se procedió a hacer los ensayos de ultrasonido en las probetas
ya prefisuradas. Se midió la longitud de fisura generada utilizando los palpadores adecuados a la
situación. El procedimiento de inspección se detalla en este mismo estudio, caracterizando la
metodología, los valores de calibración y parámetros de aceptación entre otros. Se toma constancia de
los resultados.
6
Capítulo I
Antecedentes generales
Posteriormente se efectuaron los ensayos destructivos de las probetas. Debido a que este tipo
de acero es muy dúctil se sumergieron estas en nitrógeno líquido para generar el cambio de fase dúctilfrágil. Una vez alcanzada una temperatura de -195⁰C aproximadamente se asegura que las probetas no
se deformen plásticamente al aplicársele una carga, en cuyo caso se produce la ruptura frágil de estas en
el lugar donde se hicieron las prefisuras. De esta forma la fisura queda expuesta a simple vista.
Una vez realizado el ensayo destructivo se procedió a escanear las probetas en el lugar donde se
encuentran las fisuras, las cuales fueron medidas. Se utiliza un promedio ponderado para la longitud final
de fisura. Las fisuras fueron constatadas con un microscopio óptico.
Una vez realizados ambos ensayos se procedió a comparar los resultados para verificar la
efectividad del ensayo de ultrasonido.
Transversalmente se plantea un sistema de inspección estructural, evaluando la peligrosidad de
los defectos encontrados por medio de un ensayo de ultrasonido utilizando conceptos de mecánica de
fractura con apoyo de la normativa norteamericana.
1.6.
Alcances y limitaciones
El presente estudio es aplicable al tipo de acero ensayado, A 34 - 27 ES de calidad SAE 1020. Esto
se debe a que otros aceros presentan propiedades diferentes que influyen en la metodología de ensayo
y resultados obtenidos. Entre las propiedades más influyentes se encuentran la tensión límite elástica
la tensión de fluencia
,
y el módulo de elasticidad .
Los resultados de las inspecciones por ultrasonido son aplicables y comparables con otros
equipos con una sensibilidad igual o superior al utilizado en este estudio.
Debido al gran costo que se requiere para generar las probetas en la aplicación de inspección
estructural, se decide realizar una propuesta teórica. Efectuar los ensayos requiere elaborar probetas
especiales que no podrían ensayarse en la Universidad Austral, lo cual daría paso nuevamente a realizar
tanto la realización del ensayo como la preparación de las probetas en la Universidad Nacional de
Comahue. Esto aumentaría aún más el costo.
7
Capítulo II
Fatiga de materiales
Capítulo II:
Fatiga de materiales
8
Capítulo II
2.1.
Fatiga de materiales
Definición de la fatiga
La fatiga de los materiales es un fenómeno frecuente en la ingeniería estructural, en especial en
estructuras sometidas a cargas cíclicas o dinámicas. Es algo que se trata de evitar, puesto que su
presencia provoca que el elemento estructural sea dado de baja o que necesite un reemplazo o
reparación. En el peor de los casos, dependiendo de la importancia estructural del elemento, puede
producir el colapso.
De acuerdo a Alampalli (2011), la fatiga es el proceso que se describe cómo el daño que se
acumula debido a ciclos de esfuerzo/deformación en los metales. A medida que el número de ciclos
aumenta el daño acumulado aumenta. Bajo ciertas condiciones el daño acumulativo conducirá a la fisura
del material. En la ingeniería estructural, por ejemplo, resulta común la existencia de cargas cíclicas en
estructuras de puentes.
Hay tres tipos de deformaciones por grietas.
Modo I:
El modo de rasgado, en el que dos lados de la grieta se alejan uno del otro.
Modo II:
Modo deslizante, donde los dos lados de la grieta se deslizan uno sobre el otro de forma
simétrica.
Modo III:
Modo de esquila, donde los dos lados de la grieta se deslizan uno sobre el otro de forma
asimétrica.
La mayoría de las grietas por fatiga en estructuras civiles son de tipo I. Los factores que afectan
el desarrollo de la fatiga son la carga, los errores de diseño, errores de fabricación, defectos de
construcción o montaje, defectos en la composición de los materiales, deficiente control de calidad,
tensiones residuales, y condiciones medioambientales tales como la temperatura o la humedad. Otro
aspecto importante a tener en cuenta es que la fatiga es un fenómeno incierto. Todos estudio en
relación con los efectos de la fatiga o medidas de mitigación deben tener en cuenta esta incertidumbre
en algún grado.
Una de las propiedades importantes de la rotura por fatiga consiste en que el umbral de las
tensiones de fallo por fatiga es función del nivel de tensión. Ya que se reduce el nivel de tensión, se
aumenta el número de ciclos que pueden producirse antes que ocurra la falla. En el límite, existe un
9
Capítulo II
Fatiga de materiales
valor de esfuerzo por debajo del cual no se producirá la falla, sin importar cuántos ciclos se apliquen al
material. Tal relación se expresa en gráficos del tipo S - N. Este fenómeno se conoce como la fatiga de
alto ciclo. Si una condición cíclica de carga provoca un comportamiento plástico en el metal,
reduciéndose entonces el número de ciclos antes de la rotura por fatiga, fenómeno que se conoce como
la fatiga de bajo ciclo.
La figura N⁰1 muestra la curva de fatiga típica de Wöhler (Tensión vs Ciclos para falla).
FIG. N⁰1. Curva S-N descrita por Wöhler (1 centímetro por Zoll2 = 0.75 Mpa).
FUENTE: Khonsari et al. (2013).
2.2.
Predicción de la falla por fatiga
Como se mencionó anteriormente, la fatiga se produce por la acción de esfuerzos repetidos o
variables en el tiempo. Es por esto que la falla por fatiga tiene como principal motivo los esfuerzos
fluctuantes en el tiempo.
Según Zahavi y Barlam (2000), el proceso de falla por fatiga en una pieza consta de dos etapas. La
primera es un proceso "invisible " que culmina en una pequeña grieta. El segundo es la propagación de
10
Capítulo II
Fatiga de materiales
grietas continuas, las que conducen finalmente a la falla.
Por lo tanto, se utilizan para el diseño contra la fatiga dos métodos independientes de análisis
que se complementan mutuamente. El Método de la Tensión trata con la fatiga "invisible ", y se refiere a
la deformación plástica causada por cargas fluctuantes. El otro método se refiere a la propagación de
grietas y se conoce como el método de la mecánica de fractura. Estos dos métodos se describen a
continuación.
2.2.1. Método de la tensión
Según Morrow (1965), en altas tensiones cíclicas la deformación plástica repetida es la causa
predominante de la disipación de energía en los metales. Es posible diferenciar la amortiguación debido
a la energía cíclica por deformación plástica con la amortiguación no elástica de la siguiente manera: (1)
existe, por lo general, un cambio transitorio en la forma y tamaño de los ciclos de histéresis en el inicio
de un ensayo cíclico. (2) La tasa de cambio cíclico y la forma cíclica de estado estacionario, y el tamaño
del ciclo son fuertemente dependientes de la amplitud de tensión, pero muy débilmente dependientes
de la frecuencia de prueba y la temperatura y (3) se puede observar los cambios micro-permanente y
macro estructurales en el metal, en particular la formación e intensificación de bandas de deslizamiento
en las que nuclean las grietas y se propagan para formar microfisuras que culminan en la fractura por
fatiga.
Se puede definir un conjunto de seis propiedades de fractura por fatiga para los metales. Estas se
clasifican en cuanto a su resistencia y son obtenidas de forma empíricas. Las tensiones mencionadas
anteriormente se pueden utilizar como criterio para obtener el daño por fatiga. Así se obtiene teoría
descriptiva de fatiga basada en la acumulación de energía por deformación plástica como criterio de
daño por fatiga y la energía de deformación elástica como criterio de fractura. Esta es una teoría que
relaciona cuantitativamente las propiedades de la fatiga de un metal a sus propiedades de tensióndeformación de forma cíclica.
11
Capítulo II
Fatiga de materiales
2.2.2. Mecánica de fractura
La manifestación del fallo por fatiga en una pieza (Zahavi et al., 2000) es la aparición de una
grieta, como se mencionó anteriormente. La grieta comienza con imperfecciones y dislocaciones
microscópicas, que son seguidas por una división visible que conduce a una fractura definitiva. La teoría
de la propagación de la grieta se originó por Griffith y se aplica a la fatiga expuesta por Irwin, París, y
otros.
Teóricamente, se divide el proceso de propagación de grietas en tres periodos discretos:
1. Daño inicial en una escala microscópica.
2. Daños visibles, grietas de iniciación, y el crecimiento.
3. La fractura instantánea y definitiva.
La mecánica de la fractura tiene que ver con el proceso que abarca las dos últimas etapas. Ambas
etapas son visibles tras el examen de la superficie dañada de una parte rota. La zona de la fatiga es
relativamente lisa, con la ubicación de los orígenes de las grietas que se muestran (en general) con
bastante claridad, mientras que la superficie en la zona de ruptura es áspera.
2.2.2.1. Balance de energía de Griffith
Arana y González (2002) explican que de acuerdo con el Primer Principio de Termodinámica,
cuando un sistema pasa de un estado de no-equilibrio a un estado de equilibrio, se produce una
disminución de la energía del sistema. A partir de este principio, Griffith estudió las condiciones de
fractura de cuerpos sólidos frágiles con grietas y estableció en el año 1923 la teoría inicial en la que se
sustenta la Mecánica de la Fractura.
Se puede formar una grieta (o una grieta existente puede crecer) solamente si el proceso origina
una disminución de la energía total o si ésta permanece constante.
Griffith establece que para que una grieta introducida en un sólido, cargado elásticamente,
aumente de tamaño, la energía potencial disponible para la propagación en la placa debe ser suficiente
para superar a la energía superficial del material, de forma que se establezca un equilibrio entre la
12
Capítulo II
Fatiga de materiales
disminución de la energía elástica almacenada en el cuerpo y el incremento de la energía superficial
total, como consecuencia de la formación de la superficie libre de la grieta, de forma que la grieta
existente crezca y se produzca la fractura, en caso que la energía requerida para propagar la grieta (suma
del trabajo desarrollado por la tensión aplicada y la energía elástica liberada al extenderse la grieta)
pueda ser suministrada por el sistema.
Luego Pérez (2004) explica la expresión de Griffith como el siguiente balance energético:
Donde:
La condición de equilibrio de la ecuación anterior se define en la primera derivada con respecto
a la longitud de la grieta, donde la variación de energía respecto a la longitud de fisura es cero
(
⁄
). Esta derivada es de importancia debido a que el tamaño crítico de la fisura, lo cual se
explicará a continuación, se puede predecir con mucha facilidad. Si se deriva la expresión anterior y se la
compatibilidad con las condiciones de contorno, y se reemplazando las expresiones de energía se
obtiene la siguiente expresión:
√
El parámetro
se denomina el Factor de Intensidad de Tensiones, que es la fuerza impulsora
de grietas y su valor crítico
es una propiedad del material conocido como Tenacidad a la Fractura,
que a su vez, es la fuerza que resiste la extensión de la grieta.
Se establece a partir de Perez I. (2004):

Bajo las hipótesis consideradas, existe un parámetro que gobierna el estado de tensiones en
la punta de la fisura:

puede ser calculado para toda geometría y estado de carga.
13
Capítulo II


Fatiga de materiales
Cuando
alcance el valor crítico,
, la fisura se inestabiliza y comienza a crecer.
, característico de cada material, estado termodinámico y temperatura, puede ser
medido mediante ensayos normalizados.

Como
es función de la geometría, existe un
(tamaño crítico de fisura) el cual luego de
ser sobrepasado la fisura se inestabiliza y comienza a crecer.
La tenacidad a la fractura
puede ser calculada de muchas formas. A continuación se
muestran las formas más usuales y probadas (Perez I., 2004).


2.3.
Métodos teóricos.
o
Función de tensiones de Westergaard.
o
Funciones de tensiones complejas.
o
Método de colocación.
o
Transformación conforme.
o
Función de Green.
o
Métodos de elementos finitos.
o
Método de elementos de contorno.
o
Principio de superposición.
Métodos experimentales.
o
Fotoelasticidad.
o
Compliance.
o
Velocidad de crecimiento de fisura por fatiga.
o
Holografía, interferometría.
Heat Tinting
El heat tinting o tinteado por calor se utiliza, en nuestro caso, para obtener una clara imagen de
la fisura producida por fatiga.
Según Vander Voort (2007), este ensayo se basa en calentar una muestra de metal pulido en el
aire a una temperatura relativamente baja para oxidar la superficie. En una aleación de fases múltiples,
las tasas de oxidación de los componentes pueden variar dependiendo de su composición, produciendo
14
Capítulo II
Fatiga de materiales
variaciones en espesor de óxido y colores característicos. El color de interferencia se obtiene una vez que
la película llegue a un cierto espesor, generalmente alrededor de 30 [nm].
Varios métodos han sido utilizados para producir películas de óxido adecuados por heat tinting.
Estos métodos incluyen la calefacción en un plato caliente o en una hoja colocada sobre un mechero
Bunsen, la flotación sobre estaño fundido, o calentamiento en un horno de laboratorio.
Independientemente de la técnica utilizada, la superficie pulida se coloca boca arriba y se debe
mantener limpia durante la oxidación. Con estos métodos, se utilizan generalmente tiempos de
calentamiento de hasta aproximadamente 20 min. Con los tres primeros métodos, se continúa el
calentamiento hasta que se observa un color violeta o morado. La temperatura no se controla, excepto
con el estaño fundido. Si se utiliza un horno de laboratorio, tanto la temperatura y el tiempo son fijos
con el fin de proporcionar un mejor control.
EL heat tinting puede producir sorprendentes efectos de color y puede ser muy útil para la
identificación de fase, ya que ciertos componentes se oxidan más fácilmente que otros. El examen de la
microestructura de muchos metales y aleaciones ferrosos y no ferrosos puede hacerse más fácil por el
uso de tintado por calor. Sin embargo, este proceso no debe ser empleado si el calentamiento produce
cambios de fase u otros efectos tales como la precipitación. A pesar de la simplicidad de tintado por
calor y los excelentes resultados que se pueden obtener, en metalografía se utiliza el método sin mucha
frecuencia. El poco uso de este método se debe, probablemente, a la afirmación de que el método es
difícil de controlar. Sin embargo, si se utiliza horno de laboratorio para controlar tanto la temperatura
como el tiempo, pudiéndose conseguir una excelente reproducibilidad con materiales comunes.
15
Capítulo III
Ensayos no destructivos
Capítulo III:
Ensayos no destructivos
16
Capítulo III
3.1.
Ensayos no destructivos
Definición de ensayos no destructivos
El ensayo de ultrasonido a verificar en el presente estudio pertenece a un grupo llamado de
ensayos no destructivos. Es por esto que cabe mencionar y explicar que son estos ensayos, y mostrar los
tipos de ensayos existentes.
“Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END, o en inglés NDT de non destructive
testing) a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente sus
propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales” (Recalde, 2009). La gama de métodos de
ensayos no destructivos están basados en la aplicación de fenómenos físicos tales como ondas
electromagnéticas, acústicas, emisión de partículas subatómicas, capilaridad, absorción y cualquier tipo
de ensayo que dañe considerablemente la muestra examinada. El objetivo de estos métodos de ensayos
es detectar discontinuidades superficiales o internas en materiales, soldaduras, componentes de partes
fabricadas, etc. Si bien es cierto que estos no ofrecen la misma cantidad de información comparados con
los ensayos destructivos, éstos tienen la ventaja, como su nombre los dice, de no destruir lo ensayado, lo
que hace que sean más baratos. Su finalidad es verificar la homogeneidad del material encontrando
grietas o microfisuras en la pieza ensayada. Los materiales que pueden inspeccionarse son muy diversos,
entre metálicos y no -metálicos, normalmente utilizados en procesos de fabricación tales como:
laminados, fundidos, forjados y otras conformaciones. Todas las soldaduras/uniones presentan fallos,
grietas, defectos, discontinuidades, por lo que conviene localizar y determinar el tamaño. Los ensayos
son realizados bajo procedimientos escritos, que atienden a los requisitos de las principales normas o
códigos de fabricación tales como el ASME, ASTM, API y el AWS entre otros. Los inspectores
son calificados como Nivel I, II y III por la ASNT (American Society for Nondestructive Testing) según los
requisitos de la Práctica Recomendada SNT-TC-1A, CP-189.
3.2.
Elementos básicos de un ensayo no destructivo
Los siguientes elementos comprenden, en general, lo que debe tener en forma básica cualquier
tipo de técnica no destructiva. Recalde (2009) indica cinco componentes:
17
Capítulo III
Ensayos no destructivos
1. Fuente: Una fuente que proporciona un medio de sondeo, es decir, algo que puede usarse con el fin
de obtener información de la pieza bajo prueba.
2. Modificador: Este medio de sondeo debe cambiar o ser modificado como resultado de las
variaciones o discontinuidades dentro del objeto sometido a prueba.
3. Detector: Un detector que puede determinar los cambios en el medio de sondeo.
4. Indicador: Una forma de indicar o registrar las señales del detector.
5. Interpretador: Un método para interpretar las indicaciones.
3.3.
Rendimiento de la Inspección
Según Rodríguez (2012), el beneficio de una inspección está influenciado por su rentabilidad, que
depende principalmente de cuatro factores: sensibilidad, velocidad, cobertura y fiabilidad.

Sensibilidad: Ésta se define como el tamaño mínimo de defecto que puede ser detectado de
forma precisa. Depende de tipo de material que se esté examinando y del objetivo de la
inspección. Debe tomarse en cuenta, además, la precisión de la caracterización de los defectos a
inspeccionar.

Velocidad: La velocidad del ensayo se puede estimar en base al tiempo utilizado para realizar la
inspección y el tiempo para interpretación de datos. Luego, el tiempo de inspección queda
determinado principalmente por el tipo de ensayo no destructivo utilizado.

Cobertura: Ésta se define en base al porcentaje inspeccionado al concluir el ensayo. Queda
limitado por la geometría del elemento a inspeccionar, de su ubicación y del tipo de ensayo
utilizado.

Fiabilidad: Se define a través de la probabilidad de detección y la probabilidad de falsa
indicación.
Estos cuatros factores se relacionan entre sí, conjugando la rentabilidad. Si se desea mejorar el
rendimiento de la inspección, se puede reducir, por ejemplo, la velocidad de ensayo. Esto se pude lograr
reduciendo la cobertura de inspección lo que conlleva a la reducción del costo de la inspección.
18
Capítulo III
3.4.
Ensayos no destructivos
Balance económico
La realización de un END (Rodríguez, 2012) conlleva ciertos gastos, por lo que es necesario
analizar la rentabilidad de las inspecciones. Se habla de rentabilidad positiva cuando los beneficios
obtenidos tras los ensayos superan los costos de su realización.
El costo de una inspección se define en base a diversos factores tales como:

Mano de obra: inspectores y operarios.

Gastos variables: luz, agua, repuestos.

Gastos fijos: local, seguros, devaluaciones de los equipos.

Material de ensayo.
El costo global puede variar dependiendo de las condiciones de inspección tales como:

El número de elementos que se van a inspeccionar.

Sensibilidad del ensayo.

Tolerancia admisible en la interpretación de los resultados.

El grado de conocimiento y experiencia de los inspectores y operarios.
Sin embargo, calcular los beneficios no es trivial.
Se necesita conocer todos los factores
involucrados, donde algunos de ellos son difíciles de cuantificar.
3.5.
Técnicas de ensayos no destructivos más usuales
Para la detección de daño o problemas asociados a la fatiga, hoy en día se dispone de una gama
de ensayos muy convencionales y masificados en uso. Si bien éstos están en constante mejoría, no
abarcan todos los posibles problemas que se puedan presentar en una inspección. Por tanto,
dependiendo de lo que se desea obtener se escoge un método por sobre el otro.
A continuación se detallan los métodos más usados dentro de las técnicas de ensayo no
destructivos.
19
Capítulo III
Ensayos no destructivos
3.5.1. Técnica de emisión acústica
Según explican Ensminger et al. (2011), la emisión acústica es la base para una clase importante
de métodos de ensayos no destructivos. La emisión acústica es la emisión espontánea de pulsos de
sonido en materiales sometidos a tensiones externas como resultado de la relajación repentina de
esfuerzos dentro del material.
Suponiendo que un material se somete a tensión y que éste contiene un punto de concentración
de tensiones, puesto que las tensiones promedio aumentan, las tensiones en el material cerca del punto
de concentración de tensiones se aproximan al límite elástico antes que el resto del material. El material
sometido a tensiones concentradas ya no es capaz de soportar su parte de la carga aplicada, y las fibras
adyacentes repentinamente experimentan un aumento de tensiones. De acuerdo con el desarrollo de la
ecuación de onda, con el fin de obtener el equilibrio, las tensiones se distribuyen por todo el material
restante a la velocidad del sonido. La relajación de esfuerzos produce emisiones acústicas que ocurren
como resultado de la nucleación y propagación de grietas, tales como el resultado de tales procesos de
deformación elástica y plástica, como el deslizamiento de las dislocaciones existentes en el metal , la
activación de las fuentes de dislocación, cambios de fase , y el deslizamiento de fronteras de grano.
La energía emitida consta de dos componentes:
a. Un componente de bajo nivel de alta frecuencia, manifestándose como un ruido que
aumenta a medida que la tensión se sigue aplicando.
b.
Un componente de tipo ráfaga de impulsos o de energía discontinua.
Se cree que el tipo de ráfaga de impulsos está relacionado a la formación de defectos de
apilamiento y a la formación de grietas.
El nivel sonoro de la emisión acústica es muy bajo y depende del nivel de tensión que se
produce, dejando de lado las velocidades de deformación y los efectos de volumen. El mecanismo de
carga usado para subrayar el material debe ser cuidadosamente diseñado de modo que no genere ruido
suficiente para enmascarar la emisión acústica.
El espectro de frecuencias de las emisiones acústicas depende de cómo se produce el sonido. Las
frecuencias van desde audible a frecuencias ultrasónicas en el rango de megahercios.
20
Capítulo III
Ensayos no destructivos
El equipo básico requerido para la aplicación de la emisión acústica en los ensayos no
destructivos (NDT) comprende un micrófono de alta sensibilidad y un amplificador. Si es posible, la
detección se realiza a frecuencias a las que el ruido de fondo sea mínimo. Esto se puede hacer por
filtración o por la elección de un transductor con una respuesta limitada a una pequeña gama de
frecuencias dentro del área de interés.
Aunque la mayoría de las aplicaciones de emisión acústica para NDT han sido en los metales –
estanques presurizados, componentes nucleares, materiales aeroespaciales, y tubería– también está
ganando campo en poner a prueba los materiales cerámicos.
Otras aplicaciones de la emisión acústica incluyen la inspección durante el proceso de soldadura
(si las grietas se forman durante el enfriamiento, estas se pueden detectar mientras se forman), el
seguimiento de la formación de grietas durante pruebas hidráulicas de las cámaras de cohetes de
combustible sólido, y la supervisión de los sistemas de presión del reactor. Las pruebas de emisión
acústica se encuentran en amplio uso en la industria, y otros ejemplos de aplicaciones más recientes,
incluyendo un seguimiento más exhaustivo del monitoreo de la salud estructural.
3.5.2. Radiación penetrante
En palabras de Xu y Xia (2011), la radiación penetrante, o más conocida como radiografía, se
compone típicamente de una fuente de radiación y un colector de imagen. La radiación se dirige
directamente a través de una muestra de ensayo y expone la película en el otro lado de la muestra.
Diferentes tipos de materiales pueden atenuar la radiación de forma diferente, por ejemplo, el acero
atenúa los rayos X y los rayos gamma en mayor medida que el hormigón. Las diferencias en la
atenuación por lo tanto, pueden producir una imagen fotográfica de la estructura interna de la muestra.
Los rayos X y los rayos gamma se utilizan normalmente como fuente de radiación.
Los métodos de radiación penetrante se usan principalmente para el examen de los productos
soldados y detección de defectos. En el campo del trabajo en hormigón con rayos X, ésta fue
desarrollada en Francia para la evaluación de puentes de hormigón pretensado (Dufay, 1985). El equipo
ha sido utilizado para examinar la calidad de la lechada y de hormigón, así como la condición de los
21
Capítulo III
Ensayos no destructivos
cables de pretensado.
Una técnica más potente llamada tomografía computarizada podría ser utilizada para producir
una representación tridimensional de la estructura interna de un objeto tal como dimensiones, forma,
defectos internos y densidad. El objeto es esencialmente sometido a radiografía en diversas
orientaciones y luego se usa una computadora para construir la imagen tridimensional.
Las técnicas radiográficas convencionales pueden proporcionar información rápida y precisa
sobre las características internas que no está disponible a través de otros métodos de ensayos no
destructivos. Sin embargo, el equipo es generalmente pesado y el consumo de energía es grande. Las
fuentes de alimentación necesarias para penetrar los materiales gruesos y densos utilizados en
aplicaciones de infraestructura civil son de aproximadamente 250 kV - 4 MV. La portabilidad de los
equipos y la accesibilidad al objeto son dos grandes problemas para las implementaciones de campo.
3.5.3. Termografía.
Otro de los métodos convencionales de inspección no destructiva es la termografía, o más
comúnmente conocida como método de radiación o termografía infrarroja.
Según explica Xu y Xia (2011), la radiación infrarroja tiene una longitud de onda mayor que la luz
visible, o mayor que 700 nanómetros. Cualquier objeto cuya temperatura esté por encima de 0 ° K
(-273.15 ⁰C) irradia energía infrarroja, que no es visible por el ojo humano pero puede ser detectada por
una cámara infrarroja. La termografía infrarroja es una técnica de medición de la temperatura o las
diferencias de temperatura en un objeto. Se puede usar simplemente para la inspección de
componentes electrónicos o sistemas mecánicos en donde un defecto por lo general provoque un
aumento en la temperatura.
En aplicaciones de inspección de puentes, las mediciones de temperatura se pueden tomar
durante el día o la noche, siempre y cuando se produzca la transferencia de calor entre el puente y el
medio ambiente. El hormigón en términos razonables es buen conductor del calor y la convección dentro
del hormigón puede considerarse despreciable. Si el hormigón tiene vacíos, el recorrido de la
conducción se ve interrumpido. Las interrupciones en el flujo de energía térmica conducen a diferencias
22
Capítulo III
Ensayos no destructivos
de temperatura en la superficie que pueden ser detectadas por la cámara infrarroja. La termografía
infrarroja se considera un método económico y preciso para la determinación de las condiciones de los
pavimentos y puentes, donde los procedimientos se han estandarizado en la norma ASTM D4788, por
ejemplo.
Varios parámetros afectan las mediciones de la temperatura en la superficie: la radiación solar, la
nubosidad, la temperatura ambiente, velocidad del viento y la humedad de la superficie entre otros. Por
lo tanto, la pruebas termográficas deben llevarse a cabo en los días que no esté demasiado nublado, con
la velocidad del viento por debajo de 15 mph, y con la superficie seca.
Para la recolección de datos termográficos y posterior análisis de forma completa se debe
incluir un cabezal de sensor infrarrojo, un sistema de escaneo infrarrojo, un sistema de recolección de
datos, la grabación de imágenes y dispositivos de recuperación. El sistema podría instalarse en un
vehículo especialmente equipado en aplicaciones de evaluación de puentes.
La termografía infrarroja es una técnica de ensayo en área más que una técnica de ensayo
puntual o específico, al igual que algunos otros métodos de ensayos no destructivos. Resulta más
eficiente que otros métodos invasivos al probar grandes áreas. Una limitación de la técnica es que la
profundidad o espesor de una discontinuidad no se puede detectar.
3.5.4. Visual o manual.
La inspección visual o manual es, dentro de los ensayos no destructivos, uno de los más usados.
Esto se debe principalmente a que es un ensayo de muy bajo costo y que no requiere de instrumentos
caros e inaccesibles. Solo se debe tener mucha precaución en cuanto a su ejecución.
La ASME V indica las precauciones que se deben seguir cuando se hace una inspección visual. El
examen visual directo se hace normalmente cuando se tiene suficiente acceso a la superficie a examinar
acercándose a 24 pulgadas (600 mm) y en a un ángulo no inferior a 30 grados de la superficie a examinar
(El-Reedy, 2013). Algunos espejos son utilizados para mejorar el ángulo de visión. Otras formas de ayuda
permitidas son, por ejemplo, un lente de aumento el cual se puede usar para ayudar a los exámenes
visuales.
23
Capítulo III
Ensayos no destructivos
Se requiere de iluminación (luz blanca natural o artificial) para partes específicas, componentes,
o cualquier sección examinada. La intensidad de luz mínima en la superficie de exploración debe ser de
100 pies candela (1.000 lux). Para demostrar la efectividad del ensayo se requiere tener documentado y
archivado datos como la fuente de luz, la técnica utilizada, y el nivel de verificación de luz.
La inspección visual se realiza generalmente por un inspector experimentado. Además que
existen algunas herramientas que se pueden utilizarse en el sitio para comprobar si la soldadura, por
ejemplo, coincide con el estándar y con las especificaciones del proyecto. Una de estas herramientas es
el conjunto soldadura en ángulo que es básicamente una pieza rectangular de metal en la forma de la
soldadura en ángulo. El inspector desplazará el conjunto de soldadura en ángulo recto sobre la pieza de
acero para determinar si el espesor de soldadura coincide con el valor en el indicador de metal.
3.5.5. Líquido penetrante.
Los líquidos penetrantes (Iddings y Shull, 2002) constituyen un método rápido, sencillo, barato y
sensible de ensayos no destructivos. Estos permiten la inspección de una gran variedad de materiales,
componentes, y discontinuidades que están visibles en la superficie. Estas discontinuidades pueden ser
inherentes a los materiales originales, el resultado de algún proceso de fabricación, o desarrollarse a
partir del uso y/o acción de condiciones ambientales.
Este ensayo es análogo a las grietas presentes en una taza de cerámica, visibles por líquido
derramándose a través de las fisuras, o las grietas en una acera pavimentada con hormigón hecha visible
por líquidos fluyendo a través de estas.
Estas grietas son discontinuidades de superficie se hacen visibles mediante un penetrante (un
material que se filtra a través de una discontinuidad superficial). Para ser visto, el penetrante debe
poseer un color radicalmente diferente (contraste) de la superficie y debe salir de la discontinuidad en
condiciones apropiadas.
Los ensayos de líquidos penetrantes requieren menos formación y conocimientos de mecánica,
en comparación con algunos otros métodos de ensayos no destructivos, sin embargo requieren de
cuidados durante la limpieza, en los procedimientos y en el tiempo de procesamiento, siendo necesario
además un conocimiento amplio de tipos de discontinuidades que pueden ocurrir en las partes que
24
Capítulo III
Ensayos no destructivos
serán ensayadas.
Se debe realizar un examen visual detallado de la superficie a ensayar antes de comenzar el
ensayo no destructivo. Esto permitirá identificar cualquier condición que pueda interferir con el examen.
La limpieza es fundamental en varias etapas. En primer lugar, ésta es necesaria para que nada en la
superficie de la muestra impida que la discontinuidad esté abierta a la corrosión, la suciedad,
recubrimientos protectores, o cualquier otro material. Cualquiera de los elementos mencionados debe
ser quitado o limpiado de la superficie. Luego el penetrante puede ser aplicado y permitiendo que actúe
a través de la discontinuidad.
Posteriormente se definen procedimientos para determinar (a) el tipo de penetrante y (b) el
tiempo de permanencia o lapso para que el penetrante pueda entrar en los defectos. Después que éste
haya penetrado en la zona de singularidad, el exceso superficial de penetrante se debe retirar.
Después de esta segunda limpieza, otro material (llamado desarrollador) se incorpora en la
superficie. El desarrollador absorbe parte del penetrante de los defectos, y proporciona un fondo de
contraste para permitir que el penetrante sea visible. Finalmente la superficie se limpia una tercera vez,
para eliminar el revelador y cualquier penetrante sobrante.
El potencial se presenta principalmente en las industrias, donde se incluyen la producción de
metal, automoción en general, industria naval y aeroespacial (fabricación y el mantenimiento), la
industria petroquímica, generación de energía eléctrica, la fabricación electrónica y materiales
compuestos.
3.5.6. Electromagnetismo.
Los ensayos por electromagnetismo o también llamados de inspección por partículas magnéticas
(MPI) son muy útiles en un área más específica.
Si se está trabajando con un material ferromagnético (Shull et al., 2002), por ejemplo con
posibles defectos en o cerca de la superficie, la inspección con partículas magnéticas constituye uno de
los métodos más económicos de ensayo no destructivos.
25
Capítulo III
Ensayos no destructivos
Cuando se decide utilizar la MPI deben tenerse en cuenta a lo menos 3 variables. Éstas son: ¿Qué
método de magnetización debe usarse? ¿Qué tipo de corriente se va a utilizar? ¿Desea utilizarse
partículas húmedas o secas?
La MPI es un método muy simple, consistente en magnetizar la muestra y al mismo tiempo fluir
finamente partículas ferromagnéticas sobre la superficie. Cualquier defecto en el material afectará el
campo magnético de la muestra, y por lo tanto pueden atraerse las partículas magnéticas a los bordes de
los defectos. Esto significa que las partículas magnéticas pueden trazar los defectos en la superficie, y por
lo tanto se pueden utilizar como un indicador para tales defectos.
Dado que la muestra debe ser magnetizada, la MPI está limitada a piezas que son fáciles de
magnetizar. La MPI no se puede utilizar en partes no ferrosas tales como cobre, latón, aluminio, titanio,
acero inoxidable austenítico o cualquiera de los metales preciosos.
La inspección por partículas magnéticas proporciona muchas ventajas aunque con algunas
desventajas. Por lo general es la mejor y el más confiable método para hallar grietas en la superficie,
especialmente las más finas y poco profundas. El electromagnetismo tiende a ser simple de operar, y
produce indicios de fácil interpretación. Casi no existe limitación en el tamaño o forma de la pieza que se
está ensayando. La MPI también funciona si el defecto se rellena con un material extraño, o si la muestra
se cubre con un revestimiento no magnético, tales como capas finas de pintura o de chapado. Un
operador experto puede detectar la profundidad de la mayoría de grietas con una alta precisión. A
diferencia de los líquidos penetrantes, la MPI también puede detectar defectos sub-superficiales
limitados a una profundidad máxima de aproximadamente 6,35 [mm]. La MPI es poco costosa y se
adecúa a la automatización.
Por último, resulta muy indulgente que pequeñas desviaciones de las condiciones óptimas de
operación a menudo sigan produciendo indicios razonables.
Las principales desventajas de MPI son: (a) sólo se puede utilizar en piezas ferromagnéticas y (b)
puede detectar discontinuidades sólo en la superficie cerca de las grietas. Además pueden producirse
arcos eléctricos y la quema en los puntos de contacto durante la prueba y el objeto a menudo deben ser
desmagnetizado luego que el proceso culmine. Por último, muchas partes requieren de un manejo
individual.
26
Capítulo III
Ensayos no destructivos
3.5.7. Prueba de estanqueidad.
La prueba de estanqueidad (ASNT, 1987) se realiza mediante la detección de un medio indicador
(trazador), generalmente un gas o líquido que se ha escapado de su confinamiento. El trazador puede ser
un fluido añadido o, en algunos casos puede ser el fluido del mismo estanque que lo contiene. La prueba
se realiza visual, auditiva o electrónicamente. De vez en cuando, los trazadores están diseñados para
interactuar con materiales aplicados o presentes de forma natural fuera del recipiente, para producir
evidencia altamente visible de fugas. La parte visual de una prueba de fugas típica es la que determina la
presencia y localización de fugas. La tasa de fugas y su efecto sobre el flujo de fluido se puede
determinar por observación visual con metros y calibres.
Existen otros tipos de pruebas según Nayyar (1999), dependiendo del fluido de servicio existen
seis métodos de pruebas diferentes que pueden utilizarse en la mayoría de los sitios de construcción.

La prueba hidrostática que utiliza agua a presión.

La prueba neumática que utiliza gas o aire a presión.

Las pruebas “en servicio” que implican un seguimiento de las fugas cuando el sistema se
pone en funcionamiento.

Las pruebas de vacío que utiliza presión negativa para comprobar si hay fugas.

Las pruebas de carga estática que normalmente se hacen para las tuberías de drenaje
con agua.

El método fuga trazador para la detección de fugas de gas inerte.
3.5.8. Ultrasonido.
Debido a que esta tesis se basa en la utilización directa de técnica de ultrasonido, se detallará
con mucho más detalle en capítulos posteriores.
A continuación se comparan en las figuras N⁰2, N⁰3 y N⁰4 la utilidad e identificación de defectos
de los tipos de ensayos mencionados anteriormente a modo de resumen.
27
Capítulo III
Ensayos no destructivos
FIG. N⁰2. Utilidad de los NDT frente a la ocurrencia de defectos.
Método NDT
Antes del suceso
Después del suceso
Prueba de estanqueidad.
NA
Puede ser utilizado de una manera
virtual para detectar grietas de fatiga
en tanques de fluido o de presión. No
aplicable (NA) para la mayoría de las
infraestructuras civiles, incluidos los
puentes.
Prueba
de
líquido NA
Puede ser utilizado para detectar
penetrante.
grietas superficiales.
Radiación penetrante.
NA
NA
Electromagnetismo.
NA
NA
Emisión acústica.
Puede ser utilizado para medir NA
señales de tensiones, y luego
detectar la vida útil debido a la
fatiga.
Ultrasonido.
Puede ser utilizado para medir NA
señales de tensiones, y luego
detectar la vida útil debido a la
fatiga de manera virtual.
Visual/Manual.
NA
Solamente grietas de tamaño largo
pueden ser observadas.
Termografía.
NA
Puede ser usado para detectar grietas
superficiales.
FUENTE. ALAMPALLI 2011.
28
Capítulo III
Ensayos no destructivos
FIG. N⁰3. Rango de detección de los NDT.
Método NDT
Escala (tamaño) de la grieta
Prueba de estanqueidad
El tamaño de la grieta puede ser Profundidad completa de la falla.
detectado
Modo de falla
virtualmente
relacionando la presión de las
pérdidas de líquido.
Prueba de líquido penetrante
Grietas con un mínimo de 1,0 µm.
Superficiales
Radiación penetrante
Cambios de densidad de alrededor Superficiales, interiores.
de 2%. Las microondas pueden
detectar grietas del orden de 0,25
µm. La tomografía computarizada
puede detectar grietas de 0,1 mm.
Electromagnetismo
Grietas desde 0,03 mm.
Superficiales, interiores.
Emisión acústica
Variadas.
Superficiales, interiores.
Ultrasonido
Grietas desde 0,01 mm.
Grietas desde 0,03 mm.
Visual/manual
Variadas.
Superficiales.
Termografía
Variadas.
Superficiales, interiores.
FUENTE. ALAMPALLI 2011.
29
Capítulo III
Ensayos no destructivos
FIG. N⁰4. Utilidad de los métodos de ensayos no destructivos para la fatiga (aplicada a los puentes).
Método NDT
Tamaño
de los
Simplicidad
equipos
Prueba
de
Necesidades
In situ
de
versus
mantención
laboratorio
Costo
M
M
B
M
M
B
B
B
B
B
Electromagnetismo
M
M
M
M
M
Emisión acústica
A
A
M
A
A
Ultrasonido
A
A
M
A
A
Visual/manual
A
A
B
A
M
Termografía
M
M
B
M
B
estanqueidad
Radiación
penetrante
FUENTE. ALAMPALLI 2011.
Los parámetros utilizados en la figura anterior corresponden a: A: Alta utilidad; B: Baja utilidad;
M: Utilidad media; NA: No aplicable. Además se debe considerar que las necesidades de mantención
incluyen pruebas continuamente.
El criterio in situ versus laboratorio evalúa si el método de ensayo no destructivo puede ser
utilizado fácilmente para un monitoreo de salud estructural para una investigación in situ.
30
Capítulo IV
Ultrasonido
Capítulo IV:
Ultrasonido
31
Capítulo IV
4.1.
Ultrasonido
Teoría del ultrasonido
Las ondas acústicas ultrasónicas, Yori (2009), son de igual naturaleza que las ondas sonoras
y se diferencian de ellas, únicamente, en que las oscilaciones son tan rápidas que el oído humano
no es capaz de percibirlas (frecuencias mayores a 20 Khz.).
Estas ondas pueden dividirse en dos secciones, una que versa sobre las vibraciones de baja
amplitud, y otra sobre las vibraciones de energía elevada. La propagación de baja amplitud no provoca
cambios permanentes en el medio. En cambio, las aplicaciones de alta energía, hacen referencia a las
transformaciones o estímulos provocados por las ondas en un medio determinado. Son las primeras las
que se utilizan, por ejemplo, en materia de ensayos no destructivos enmarcados en programas de
control de calidad, mantenimiento predictivo y diagnóstico médico.
4.1.1. Tipos de ondas ultrasónicas
Las partículas de los cuerpos que poseen una estructura cristalina (átomos y moléculas
están ordenados siguiendo un patrón que se repite en las tres dimensiones espaciales), como es el caso
de los sólidos, pueden ser desplazadas de su posición de equilibrio, describiendo oscilaciones con
trayectorias diversas en función del tipo de energía mecánica aplicada y originando las siguientes
formas de ondas (Yori, 2009):

Ondas longitudinales o de compresión

Ondas transversales o de cizalle

Ondas superficiales o de Rayleigh

Ondas de placas o de Lamb.
Se tienen ondas longitudinales cuando la dirección de oscilación de las partículas es
paralela a la dirección de propagación de la onda. En los líquidos y gases solo es posible este tipo de
ondas mecánicas.
Se tienen ondas transversales cuando la dirección de oscilación de las partículas es
perpendicular a la dirección de propagación de la onda ultrasónica. Esto se verifica en los materiales
sólidos cuando la onda ultrasónica penetra en el material con una cierta inclinación, respecto de la
32
Capítulo IV
Ultrasonido
normal a la superficie.
Las ondas superficiales o de Rayleigh, se propagan exclusivamente en la superficie del
material siguiendo el perfil del cuerpo y disminuyendo su amplitud con la profundidad del material. Se
obtienen cuando el espesor de la placa o barra es mucho mayor que la longitud de onda de la señal de
excitación.
Las ondas de flexión son aquellas que se propagan en una barra o placa delgada cuando se las
somete en uno o varios puntos a fuerzas perpendiculares al eje de la barra, o al plano de la placa. Estas
ondas son resultantes de la composición de ondas longitudinales y de ondas transversales experimentan
oscilaciones a modo de serpenteo a la barra o placa.
4.1.2. Detección de discontinuidades
Según Yori (2009), el principio del control ultrasónico de materiales a través de ensayos no
destructivos, se basa en la capacidad de los sólidos de conducir ondas sonoras. Estas se reflejan
en las interfaces debido a cambios de impedancia acústica y por lo tanto, de velocidad de
propagación del sonido. Se emplean ondas longitudinales y transversales de frecuencias entre 20
Khz y 100 MHz aproximadamente, aunque se utilizan más comúnmente frecuencias entre 500 Khz y
20 MHz.
Este tipo de ensayo no destructivo se extiende en general a todos aquellos ámbitos de la
actividad industrial en que la calidad de los productos o la seguridad de estructuras, instalaciones
o personas se encuentran involucradas. Son clásicas las aplicaciones en los campos de la metrología a
través de medición de espesores en fabricación y mantenimiento, caracterización de la naturaleza y
estado de los materiales como en el caso de fundiciones de todo tipo, defectología (orientada a la
detección de heterogeneidades, defectos, etc.) y todas aquellas aplicaciones en que se requiera un alto
grado de fiabilidad, un seguimiento de defectos críticos o una detección prematura de fallas incipientes,
como consecuencia de la corrosión, fatiga mecánica, esfuerzos desmesurados, u otras.
33
Capítulo IV
Ultrasonido
4.1.2.1. Método de resonancia
Este método es usado para medir espesores en piezas de paredes paralelas. Utiliza ondas
ultrasónicas longitudinales transmitidas en el material desde una cara en forma continua. El espécimen
es excitado a distintas frecuencias a través de un oscilador variable. Cuando la correspondiente
semilongitud de onda (o un múltiplo de ella), que se propaga por el material coincide con el espesor de
la pieza, la onda se reforzará por superponerse en fase, generando un patrón estacionario dando lugar
al fenómeno de resonancia (máximo desplazamiento de partículas). La frecuencia que determina tal
longitud de onda se llama frecuencia característica fundamental o de primer orden. La resonancia en el
material es indicada por el efecto de carga de energía sobre el transductor receptor ultrasónico, puesto
en la cara paralela a la excitada (Yori, 2009).
4.1.2.2. Método de transmisión o de intensidad
Este es el método más antiguo de excitación continua usado en el ensayo de materiales. En
general, el método consiste en medir la intensidad de un haz ultrasónico en la cara posterior de una
pieza que ha sido previamente iluminada.
En este método se utilizan dos palpadores, uno transmisor y el otro receptor, debidamente
alineados y sincronizados. El receptor recoge la emisión interpuesta en la pared frontal de la pieza, la
cual es debilitada por un obstáculo interpuesto o heterogeneidad genuina. El equipo se calibra en una
zona libre de heterogeneidades, la intensidad de energía recepcionada entonces, es considerada como la
máxima transmisión posible, por tanto al existir una heterogeneidad en otro sector del material o en
otra pieza de igual material, la intensidad de energía será menor en proporción a la superficie del
obstáculo.
4.1.2.3. Método de pulso - eco
Este método está basado, en el efecto de eco que un reflector (pared de fondo,
heterogeneidad, etc.) produce al ser iluminado por un haz ultrasónico. El oscilador receptor recibe el
eco del reflector, transformándolo en la indicación correspondiente, por lo que opera siempre por
34
Capítulo IV
Ultrasonido
reflexión.
Existen dos metodologías de inspección que utilizan este principio, uno donde se determina el
tiempo de recorrido del haz, desde que fue emitido hasta ser recepcionado, llamado tiempo de recorrido
T, y otro donde además del tiempo de recorrido, se evalúa la intensidad del pulso acústico recepcionado,
llamado de intensidad acústica y tiempo de recorrido IT.
El funcionamiento, en resumen, de un sistema ultrasónico de pulso-eco puede resumirse de la
siguiente forma:
“Un pulso eléctrico excita al transductor; la onda acústica originada se propaga a través
del material de prueba; en su viaje, cualquier cambio de medio será equivalente a un cambio de
velocidad de la onda, lo que originará una onda reflejada que será detectada por el mismo transductor
(pulso-eco), o por otro (método de transmisión). La señal recibida será amplificada y analizada”.
Actualmente el método de pulso-eco es usado en la gran mayoría de los ensayos de materiales.
4.2.
Palpadores
Los palpadores son elementos básicos de un sistema ultrasónico. Estos se encargan de convertir
la energía eléctrica en energía mecánica para luego convertir la energía mecánica en energía eléctrica
nuevamente. La elección del palpador constituye un elemento clave para la detección de
discontinuidades, lo cual asegura una buena inspección. Es por esto que es necesario mencionar los tipos
de palpadores existentes. Actualmente se pueden clasificar en dos grandes grupos: palpadores de
contacto directo y palpadores de Inmersión.
4.2.1. Palpadores de contacto directo
Como su nombre lo indica, son aquellos que son utilizados directamente sobre la muestra de
ensayo, mediante algún acoplante. Según la dirección de la propagación del haz ultrasónico, se dividen
en dos grupos: Palpadores Normales y Palpadores Angulares.
35
Capítulo IV
Ultrasonido
4.2.1.1. Palpadores Normales o Rectos
Según Yori (2009), son aquellos que transmiten ondas longitudinales al material con un ángulo
recto con respecto a la superficie de contacto.
Se pueden categorizar por la cantidad de cristales que utiliza el transductor como:
o
Palpador de cristal único: emisor + receptor.
o
Palpador de doble cristal: emisor y receptor por separados.
4.2.1.2. Palpadores Angulares
Son aquellos que propagan ondas transversales en la pieza, a partir de ondas longitudinales. La
transformación de las ondas de longitudinal a transversal se sustenta en los principios físicos de
refracción (Yori, 2009).
El mínimo ángulo de refracción es de 35⁰, mientras que el ángulo superior se considera de 80⁰,
por lo que en ángulos superiores a este aparecen ondas superficiales. Los palpadores comerciales están
diseñados normalmente para acero, por lo cual, para el examen de otros materiales, estos ángulos no
son válidos y deben ser corregidos en función de sus propias velocidades de propagación.
Los palpadores angulares más corrientes, refiriéndose siempre al acero, se construyen para
ángulos de entrada de 35⁰, 45⁰, 60⁰, 70⁰ y 80⁰.
4.2.2. Palpadores de inmersión
Estos palpadores poseen una estructura similar a los de contacto con la salvedad de la suela
protectora. Se advierten dos ventajas en comparación con los de contacto (Yori, 2009):

Acople uniforme que reduce la variación de sensibilidad.

Los transductores de inmersión focalizados aumentan la sensibilidad para pequeños
reflectores.
36
Capítulo IV
Ultrasonido
Se dividen en dos tipos:
a) Planos
b) Focalizados esféricos y focalizados cilíndricos
Los transductores planos son usados generalmente en medición de espesores de materiales, los
focalizados esféricos, normalmente son utilizados para proporcionar gran sensibilidad para pequeños
defectos.
La inspección se realiza a una distancia determinada en función de la distancia focal, para
inspeccionar otros sectores se mueve el transductor cambiando a través de este artificio la focalización.
Una de las desventajas de estos palpadores consiste en que necesariamente la pieza a inspeccionar y el
palpador deben estar sumergidos, o por lo menos el sector de la pieza que se desee inspeccionar. Esto
limita la aplicación a piezas de pequeño tamaño y además portátiles.
4.3.
Requisitos para la creación de procedimientos para inspección
Para poder realizar una inspección por ultrasonido y generar resultados correctos es necesario
ceñirse a ciertas normas y códigos. El código ASME (2000) en su Artículo nº5 describe los requisitos para
la selección y desarrollo de procedimientos de examen ultrasónico y determinación de espesores.
Para los requisitos de los procedimientos escritos, el código ASME pide que cierta información se
incluya de forma mínima. A continuación se expone la información aplicable al ensayo ejecutado
extraído del código.
a) Tipo de material a examinar, incluyendo forma y espesor del producto (fundición, forja, placa,
etc).
b) La superficie o superficies desde la cual se efectuará el examen.
c) Condición superficial.
d) Acoplante, nombre comercial o tipo.
e) Técnica (haz recto, haz angular, contacto y/o inmersión).
f)
Ángulos y modo(s) de propagación de la onda en el material.
g) Tipo de palpador, frecuencia(s) y tamaño de éste.
37
Capítulo IV
Ultrasonido
h) Tipo de instrumento ultrasónico.
i)
Descripción de los bloques y técnicas de calibración.
j)
Dirección y extensión del barrido.
k) Datos que serán registrados y métodos de registro (manual o mecánico).
l)
Limpieza posterior al examen.
38
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
Capítulo V:
Aplicación a inspección estructural
39
Capítulo V
5.1.
Aplicación a inspección estructural
Antecedentes
Parte del objetivo de este estudio es generar una metodología de inspección estructural
preventiva en base a mediciones no destructivas con ultrasonido aplicando conceptos de la mecánica de
fractura. Esto es aplicable luego de verificar la efectividad del ensayo no destructivo. A continuación de
detalla un procedimiento teórico para generar dicha metodología.
5.2.
Determinación de la tenacidad a la fractura
Como se mencionó en el capítulo 2.2.2., la tenacidad a la fractura, y por ende el tamaño crítico
de fisura, depende directamente de la geometría del elemento. Es decir, a distintos espesores se
generan tamaños críticos de fisura diferentes.
En base a lo anterior se escogen espesores del alma y ala de una viga tipo IN los cuales se
ensayan para obtener la tenacidad a la fractura. Estos espesores son obtenidos del “Manual de diseño
CINTAC”, lo cuales corresponden a espesores típicos comerciales utilizados en diseño estructural en
acero. Estos espesores se muestran en la tabla N⁰1 y en la figura N⁰5. Luego a cada valor de tenacidad a
la fractura le corresponde un valor de tamaño crítico de fisura el cual es una longitud máxima de fisura al
cual una vez sobrepasada ésta se inestabiliza y comienza a crecer.
Luego se deben realizar 14 probetas con estos 14 espesores diferentes y se deben ensayar a
tensión constante. Luego se obtendrían los 14 tamaños críticos de fisura.
Los ensayos para la determinación de la tenacidad, según Pérez I. (2004), se basan en un ensayo
normalizado. La norma que regulariza estos ensayos y las probetas es la ASTM E 399 (1987). En la figura
N⁰6 se muestran las probetas más usuales utilizadas para determinar la tenacidad a la fractura.
40
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
Tabla N⁰1. Tamaño crítico de fisura correspondiente a cada espesor de probeta.
Espesor
Tamaño crítico
[mm]
de fisura
14
12
10
t
8
6
5
4
32
28
25
e
22
18
16
12
FUENTE: Elaboración propia.
FIG. N⁰5. Diagrama de los espesores a considerar en los ensayos de tenacidad a la fractura.
FUENTE: Elaboración propia.
41
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
FIG. N⁰6. Probetas para determinar la tenacidad a la fractura.
FUENTE: Pérez I. (2004).
5.3.
Determinación de la peligrosidad del defecto
Una vez obtenidos los tamaños críticos de fisura solo se debe proceder a realizar los ensayos de
ultrasonido para obtener la longitud de fisura de los defectos encontrados. Esto lleva a al caso en que se
encuentren dos defectos muy próximos. Estos al permanecer próximos uno del otro interactúan como
uno solo, lo cual hace que esta longitud cambie a una longitud equivalente. El American Petroleum
Institute (API) nos ofrece en la norma número 1104 una forma de calcular esta longitud equivalente. En
la figura N⁰7 se muestra la forma de calcular esta imperfección equivalente para cinco casos diferentes.
Una vez obtenida la longitud final de la discontinuidad se compara con el tamaño crítico de fisura
calculado para cada espesor mostrado. Para tomar una correcta decisión en el actuar una vez obtenida la
información es necesario considerar, por lo menos, los siguientes puntos:
42
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
a) Importancia del elemento inspeccionado.
b) Proximidad de la longitud del defecto inspeccionado al tamaño crítico de fisura.
c) Estado de carga sobre el elemento inspeccionado.
d) Acceso a la inspección y reparación
Pérez I. (2004) nos muestra un diagrama de niveles de evaluación frente a la toma de decisiones
en cuanto a la peligrosidad del defecto encontrado. Este diagrama se muestra en la figura N⁰8. Aquí se
muestra que entre más importancia presente el defecto, mayor es el nivel de análisis que se debe
considerar. Esto se debe, por ejemplo, a que el elemento estructural a inspeccionar es de nivel primario
o especial. O que el elemento es altamente solicitado a cargas cíclicas, por lo que no actuar en un lapso
coherente produciría que la longitud de fisura sobrepase el tamaño crítico rápidamente haciendo que se
propague.
Luego se debe proceder a mitigar el daño de estos defectos, si fuere necesario. Para esto existen
diversas formas, sin embargo escapan a contenido del presente estudio.
Cabe mencionar que esta metodología se recomienda para un nivel de análisis 1. Niveles
superiores implican técnicas más sensibles y refinadas, además de realizar un estudio completo al
comportamiento de la estructura inspeccionada.
43
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
FIG. N⁰7. Criterio para evaluación de interacción de defectos.
FUENTE: American Petroleum Institute (API) 1104 (1999).
44
Capítulo V
Aplicación a inspección estructural
FIG. N⁰8. Niveles de análisis en inspección estructural.
FUENTE: Pérez I. (2004).
45
Capítulo VI
Diseño metodológico
Capítulo VI:
Diseño metodológico
46
Capítulo VI
6.1.
Diseño metodológico
Equipos utilizados
6.1.1. Máquinas prefisuradoras en tres puntos
6.1.1.1. Máquina prefisuradora 1997 GMF LPM
a. Tipo:
Desplazamiento constante
b. Frecuencia:
20 – 50 [Hz]
c. Carga máxima: 50 [kN]
d. Excentricidad: 0 – 1 [mm]
FIG. N⁰9. Máquina prefisuradora 1997 GMF LPM.
FUENTE: Elaboración propia.
47
Capítulo VI
Diseño metodológico
6.1.1.2. Máquina prefisuradora 2009 GMF LPM
e. Tipo:
Desplazamiento constante
f.
20 – 60 [Hz]
Frecuencia:
g. Carga máxima: 20 [kN]
h. Excentricidad: 0 – 0,5 [mm]
FIG. N⁰10. Máquina prefisuradora 2009 GMF LPM.
FUENTE: Elaboración propia.
6.1.2. Equipo para inspección por ultrasonido
El equipo utilizado para la inspección por ultrasonido es el TUD310 fabricado por Time Group Inc.
Este es un detector de fallas no destructivo de tipo industrial y portátil. Las especificaciones técnicas y
características del equipo se exponen en el anexo N⁰1.
48
Capítulo VI
Diseño metodológico
FIG. N⁰11. Detector de Fallas por Ultrasonido modelo TUD310.
FUENTE: Time High Technology (2007).
6.1.2.1. Calibración del equipo
Para verificar que el equipo funcione adecuadamente y para que los resultados de los ensayos
puedan ser comparables, es necesario calibrar éste antes de cualquier inspección.
Para ejecutar esta operación se dispone del bloque de calibración del tipo V1 del I.I.W.
(International Institute of Welding) mostrado en la figura N⁰12.
49
Capítulo VI
Diseño metodológico
FIG. N⁰12. Bloque de referencia I.I.W. V1.
FUENTE: YORI (2009).
La forma de calibración está dada por las Instrucciones de Operación del equipo utilizado, tanto
para palpadores rectos como palpadores angulares, ambos utilizados en los ensayos. A continuación se
muestra un resumen de las metodologías de calibración considerando la velocidad sónica del material
como desconocida.
50
Capítulo VI
Diseño metodológico
Calibración de palpador recto:

Se ingresa un valor estimado de la velocidad sónica del material.

Se configura el equipo a compuerta doble (Multi Gate).

Se acopla el palpador al bloque de referencia.

Se mueve el inicio de la Compuerta A hasta cruzarla con el eco primario. Luego se mueve
el inicio de la compuerta B hasta cruzarlo con el eco secundario.

Se ajusta la velocidad sónica hasta que la distancia mostrada en la línea de estado sea el
espesor del objeto medido.

Se configura la compuerta nuevamente a Single Gate.

Finalmente se debe configurar “P-Delay” –indicador fiel del campo cercano del palpadorhasta que la distancia mostrada sea la distancia correcta, en este caso el espesor del
bloque de referencia.
6.1.2.2. Parámetros calibrados
El valor de los parámetros calibrados el día de la inspección son los señalados en la tabla 2.
Tabla N⁰2. Parámetros calibrados utilizados según cada palpador.
Tipo de Palpador
Descripción
Velocidad del
P-Delay (µs)
X-Value (mm)
material (m/s)
Recto
2,5MHz Ø20
5935
0,275
-
Angular
5MHz 70
3254
5,688
11,66
Angular
2MHz 60
3254
5,688
11,80
Angular
2MHz 45
3254
5,688
12,12
FUENTE: Elaboración propia.
6.1.2.3. Interpretación de los reportes del equipo
Para entender los reportes de resultados entregados por el equipo TUD310 en necesario definir
51
Capítulo VI
Diseño metodológico
los siguientes parámetros expuestos en la figura N⁰13 y que son propios de este equipo. En base a estos
parámetros es posible obtener los resultados en las inspecciones ultrasónicas.
Estos parámetros son:
S: Camino sónico.
d: Profundidad del defecto.
t: Espesor de la pieza.
x: Distancia desde el punto de entrada del pulso sónico a la pieza hasta el borde frontal
del palpador.
p: Distancia horizontal entre el defecto y el borde frontal del palpador.
FIG. N⁰13. Parámetros entregados por el equipo TUD310.
FUENTE: Elaboración propia.
52
Capítulo VI
Diseño metodológico
6.1.2.4. Palpadores
Los palpadores usados para la inspección fueron de contacto directo; un palpador recto y tres del
tipo angular. En la siguiente tabla de muestran los detalles de los palpadores usados.
Tabla N⁰3. Tipos de palpadores usados.
Tipo de Palpador
Descripción
Recto
2,5MHz Ø20
Angular
5MHz 70
Angular
2MHz 60
Angular
2MHz 45
Fuente: Elaboración propia.
6.2.
Procedimiento de inspección por ultrasonido
Considerando los puntos mencionados anteriormente se procede a crear el procedimiento de
inspección para nuestro ensayo, tomando en cuenta el código ASME y según aspectos aconsejados por
Perera (s.f.). Cabe mencionar que este procedimiento no es genérico. Es solo aplicable a este ensayo en
particular, puesto que cada inspección debe tener su propio procedimiento.
a) Se debe calibrar el equipo conforme a lo estipulado en la sección 6.1.2.1. de este texto.
b) La ejecución de la inspección debe tener ciertos parámetros previos los cuales se deben definir
con antelación. A continuación se detallan éstos.
a. Área de barrido: Corresponde al área de medición donde se espera que se obtengan
lecturas de las discontinuidades originadas por el ensayo. En
nuestro caso se
inspecciona el área central de las caras superior y lateral de las probetas, conforme
donde se espera que se produzcan las heterogeneidades.
b. Velocidad de barrido: Deberá ajustarse a lo requerido para localizar las características de
la discontinuidad. No obstante, la velocidad de barrido no debe ser mayor que 6
pulg/seg (152.4 mm/seg).
53
Capítulo VI
Diseño metodológico
c. Tolerancia de aceptación: Cualquier discontinuidad que muestre una amplitud de señal
sobre el 20% es investigada y evaluada en cuanto a forma, identidad y localización.
c) Una vez localizadas las discontinuidades, se debe tomar constancia de ello. A continuación se
muestran los indicadores a registrar en los ensayos según sea necesario.
a. Medición de espesores.
b. Pérdidas de reflexión del haz recto en la pared posterior.
c. Indicadores de las discontinuidades.
i. Máxima amplitud expresada en porcentaje con respecto a la curva DAC.
ii. La profundidad de la discontinuidad a partir de la superficie de barrido.
iii. Localización referencial de la discontinuidad en un croquis de la pieza.
iv. Orientación de la discontinuidad.
v. Longuitud de la discontinuidad.
vi. Tipo de discontinuidad –lineal, puntual, aislada o agrupada-.
d) Finalmente se prepara el informe de resultados, el cual debe contener lo siguiente.
a. Fechas de inspección.
b. Información general del instrumento utilizado.
c. Nombre de la instalación donde se ejecutó la inspección.
d. Características físicas y geométricas del material ensayado.
e. Condición superficial del material ensayado.
f.
Características del acoplante.
g. Métodos de inspección.
h. Tipo de palpadores utilizados.
54
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Capítulo VII:
Ensayos y resultados
55
Capítulo VII
7.1.
Ensayos y resultados
Inspección previa
Antes de ser sometidas a cualquier ensayo, las probetas fueron inspeccionadas previamente para
ver si éstas poseían alguna discontinuidad no deseada. En caso de existir dichos defectos éstas serían
rechazadas para su utilización en los ensayos y posterior inspección ultrasónica.
Luego de ser inspeccionadas con diferentes palpadores, para las dimensiones de interés, se
detectó que no poseían defectos que pueda afectar los resultados de los ensayos, y por ende el estudio
presentado.
Los reportes de las inspecciones previas se presentan en los anexos N⁰2, N⁰3 y N⁰4.
7.2.
Preparación de las muestras
Para la realización de los ensayos fueron consideradas seis probetas, donde se consideraron 6
tamaños diferentes de fisura según se muestra en la tabla N⁰4, en concordancia con la figura N⁰14. Cabe
destacar que debiera considerarse como longitud de fisura la dimensión “a” consistente en la suma entre
la entalla y la prefisura generada.
Tabla N⁰4. Dimensiones de las fisuras y entallas según las probetas.
a/w
a
“c” exacto
c (aproximado)
0.3
12.9
11.4
11.5
0.4
17.2
15.7
15.5
0.5
21.5
20
20
0.6
25.8
24.3
24.5
0.7
30.1
28.6
28.5
0.8
34.4
32.9
33
FUENTE: Elaboración propia.
56
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG. N⁰14. Dimensiones internas en las probetas.
FUENTE: Elaboración propia.
Se contó originalmente con probetas de tamaño irregular, de aproximadamente 100x45x20
[mm] donde se habían sido rectificadas sólo las caras de 100x45 [mm]. Estas rectificaciones se hicieron
en una maestranza, siendo que en las otras caras se presentaron irregularidades. En la figura N⁰15 se
aprecian las probetas en su estado inicial.
57
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG. N⁰15. Estado inicial de las probetas utilizadas.
Fuente: Elaboración propia.
Se desea obtener probetas donde las caras de 100x20 [mm] también se encuentran rectificadas,
debido a que estas caras son apoyadas en la máquina de ensayo y el contacto debe ser óptimo, sin que
se presenten excentricidades. Es debido a que esto que las caras antes mencionadas se maquinan en una
fresadora hasta que se encuentren rectificadas, por ambos lados de la probeta como se muestra en la
figura N⁰16.
58
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG. N⁰16. Rectificación de las caras superiores e inferiores de las probetas.
Fuente: Elaboración propia.
Una vez obtenidas las probetas rectificadas se procede a efectuar las entallas en cada una de las
6 probetas. El tamaño “c” de estas entallas depende de las razones “a/w” mencionadas en la tabla N⁰4.
Es necesario destacar que la longitud de la entalla se aproxima de forma que sea más fácil materializarla
por medio de la fresadora y finalmente utilizándose la longitud “c aproximada” mencionada en la tabla
N⁰4. Finalmente se procede a lijar las probetas al final de la entalla hasta dejarla con terminación espejo.
Esto se hace con tal de percibir con claridad la longitud de la prefisura permitiendo detener el ensayo. En
la figura N⁰17 se puede apreciar algunas de las probetas ya terminadas y listas para ser ensayadas.
59
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG. N⁰17. Probetas terminadas para ser ensayadas.
Fuente: Elaboración propia.
7.3.
Metodología de ensayo
7.3.1. Prefisuración por fatiga
Una vez preparadas todas las probetas según lo estipulado en el punto anterior, se procede a
prefisurarlas. Este procedimiento se realiza en las máquinas de prefisura mencionadas en el punto 6.1.1.,
donde se ensayan a desplazamiento constante hasta lograr una fisura por fatiga propagada desde la
entalla hasta aproximadamente 1.5 [mm]. En condiciones ideales, la longitud de la prefisura sería igual
en ambos lados de la probeta, sin embargo debido a las distintas variables involucradas tales como las
condiciones de pulido, los micro-defectos superficiales generados por la realización de la entalladura, de
la rectificación de las caras, la forma de apoyo en la prefisuradora entre otros, la longitud de la prefisura
no es igual en ambas caras. Es por esto que se considera el promedio de ambas longitudes para la
condición de 1.5 [mm].
Dependiendo de las características del material, las dimensiones geométricas de las probetas, la
distancia entre los apoyos de la probeta en la prefisuradora y la longitud de fisura proyectada se estipula
60
Capítulo VII
Ensayos y resultados
un desplazamiento con el cual se debe ensayar la probeta en las máquinas. Mediante un software
incorporado en el aparato de ensayo (figura N⁰18) se calculan dichos desplazamientos. Éstos se
presentan en la tabla N⁰5.
FIG. N⁰18. Software utilizado para calcular los desplazamientos y cargas máximas.
Fuente: Elaboración propia.
Ya que los desplazamientos calculados resultan demasiado bajos lo que implica que la duración
del ensayo sería demasiado alto, se escogió desplazamientos mayores, los cuales se muestran en la tabla
N⁰6.
Otro de los factores a considerar es la carga máxima a fatiga necesaria para generar dicha fisura
en las probetas. Debido a que los equipos están limitados superiormente a esta carga máxima, las
probetas fueron ensayadas en una u otra máquina de ensayo. Estas cargas son entregadas por el
software y se indican en la tabla N⁰5.
61
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Tabla N⁰5. Cargas y desplazamientos máximos entregados.
a/w
Longuitud de fisura
Carga máxima a fatiga
Desplazamiento
[mm]
[N]
máximo [mm]
0,3
11.5
42951,6
0,0819
0,4
15.5
31556,3
0,0802
0,5
20
21914,1
0,0801
0,6
24.5
14025,0
0,0807
0,7
28.5
7889,1
0,0818
0,8
33
3506,3
0,0834
FUENTE: Elaboración propia.
En base a los resultados de las cargas máximas entregadas se ensayaron 3 probetas en cada
prefisuradora, lo cual se resume en la tabla N⁰7. Posteriormente se procede a ensayar de a 3 probetas en
cada prefisuradora, considerando la carga máxima que puede aplicarse en cada una de estas. Luego se
expone en la tabla N⁰6 el resumen de los ensayos y en la figura N⁰19 se presenta la forma de ensayo.
Tabla N⁰6. Resumen de los ensayos de prefisuración.
Probeta
Distancia entre
Desplazamiento
Frecuencia
Tiempo de prefisura
“a/w”
apoyos [mm]
[mm]
[Hz]
[horas:min]
0,3
90
0,3
25
8:27
0,4
90
0,3
25
3:30
0,5
90
0,3
25
1:49
0,6
90
0,2
50
7:25
0,7
90
0,2
50
3:35
0,8
90
0,2
40
2:21
FUENTE: Elaboración propia.
62
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Tabla N⁰7. Prefisuradora utilizada para cada probeta.
Probeta
Prefisuradora
“a/w”
0,3
Máquina prefisuradora 1997
0,4
Máquina prefisuradora 1997
0,5
Máquina prefisuradora 1997
0,6
Máquina prefisuradora 2009
0,7
Máquina prefisuradora 2009
0,8
Máquina prefisuradora 2009
FUENTE: Elaboración propia.
FIG. N⁰19. Forma de ensayo de prefisuración.
FUENTE: Elaboración propia.
63
Capítulo VII
Ensayos y resultados
7.3.2. Medición externa de las prefisuras por fatiga
Una vez ensayadas las 6 probetas se obtiene el registro de la longitud de las prefisuras
generadas. Esto se realiza para comparar con el ensayo de heat tinting y verificar las longitudes. Cabe
recordar que se aspira una longitud de prefisura de aproximadamente 1.5 [mm].
Estas mediciones se ejecutan con un microscopio óptico calibrado para medir distancias y se
efectúa en ambas caras de las probetas. Luego se adopta la longitud de prefisura como el promedio
entre la longitud en ambas caras. Se presenta en la tabla N⁰8 los resultados de las mediciones y en las
figuras N⁰20, N⁰21, N⁰22, N⁰23, N⁰24 y N⁰25 se muestran las prefisuras generadas.
Además se midieron las longitudes de entalla y se verificaron las relaciones de las probetas para
dar validez a los cálculos de los desplazamientos y cargas máximas. Luego se verifica que las relaciones se
cumplan con un 4,32% de error máximo y un 2,4% promedio. Esto se muestra en la tabla N⁰9.
Tabla N⁰8. Longitud de las prefisuras medidas con microscopio.
Probeta
Lado 1 [mm]
Lado 2 [mm]
Longitud promedio [mm]
0,3
1,06
1,36
1,21
0,4
2,14
1,16
1,65
0,5
1,4
1,28
1,34
0,6
1,74
1,94
1,84
0,7
1,64
0,96
1,30
0,8
1,46
1,54
1,50
FUENTE: Elaboración propia.
64
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Tabla N⁰9. Corroboración de las razones de las probetas.
Probeta
Longitud de
Longitud de
Longitud de
a/w
Error
a/w
entalla [mm]
prefisura [mm]
fisura [mm]
real
[%]
0,3
12,1
1,21
13,31
0,31
3,18
0,4
16
1,65
17,65
0,41
2,62
0,5
20,1
1,34
21,44
0,50
0,28
0,6
23,6
1,84
25,44
0,59
1,40
0,7
27,5
1,30
28,80
0,67
4,32
0,8
32
1,50
33,50
0,78
2,62
FUENTE: Elaboración propia.
65
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰20. Prefisura en probeta a/w=0,3.
FUENTE: Elaboración propia.
66
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰21. Prefisura en probeta a/w=0,4.
FUENTE: Elaboración propia.
67
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰22. Prefisura en probeta a/w=0,5.
FUENTE: Elaboración propia.
68
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰23. Prefisura en probeta a/w=0,6.
FUENTE: Elaboración propia.
69
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰24. Prefisura en probeta a/w=0,7.
FUENTE: Elaboración propia.
70
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰25. Prefisura en probeta a/w=0,8.
FUENTE: Elaboración propia.
71
Capítulo VII
Ensayos y resultados
7.3.3. Ensayo de tintado
Una vez culminados los ensayos de prefisura se procede a ejecutar el ensayo de tintado. En esta
etapa se utiliza el heat tinting para producir una película de óxido en todo el exterior de las probetas.
Debido a que las prefisuras ya han ocurrido se producirá de igual forma una película de corrosión por
calor, lo cual mostrará con exactitud la evolución interna de éstas al momento de realizarse el ensayo
destructivo.
El ensayo se realiza en un horno de laboratorio. Éste se llevó hasta una temperatura de 300⁰C.
Una vez alcanzada dicha temperatura se colocaron las 6 probetas, dejándolas en el lugar por 10 minutos.
Al cabo de ese lapso se verificó que éstas posean un color violeta azulado y se retiraron del horno hasta
enfriarlas.
7.3.4. Medición de las fisuras con ultrasonido
Antes de realizar el ensayo destructivo es menester ejecutar el ensayo no destructivo, en nuestro
caso el de ultrasonido. El procedimiento de inspección se detalló en el punto 6.2. junto con los rangos de
trabajo. Los parámetros de calibración se detallaron en el punto 6.1.2.2. para todos lo palpadores
usados.
Como ya se conocía a priori la ubicación del defecto buscado, la prefisura generada, sólo
quedaba por encontrar la longitud de la discontinuidad. Para esto se midió en la cara superior de las
probetas, donde se entregaban datos de la diferencia de la longitud de prefisura y la altura de la probeta.
Finalmente se obtienes los siguienten resultados mostrados en la tabla N⁰10. En los anexos N⁰5,
N⁰6, N⁰7, N⁰8, N⁰9 y N⁰10 se muestran los reportes de inspección de los ensayos no destructivos.
72
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Tabla N⁰10. Longitud de fisura medida a través de ultrasonido.
Probeta
Palpador
Profundidad de
Longitud de fisura
[a/w]
utilizado
discontinuidad [mm]
[mm]
0,3
2MHz45⁰
30,2
12,8
0,4
2MHz45⁰
25,5
17,5
0,5
2MHz45⁰
21
22
0,6
2MHz45⁰
16,9
26,1
0,7
2MHz45⁰
13,4
29,6
0,8
5MHz70⁰
9,1
33,9
FUENTE: Elaboración propia.
7.3.5. Medición de las fisuras mediante ensayo destructivo
Para generar la comparación, se ejecuta el ensayo destructivo el cual otorga resultados reales.
Para el presente caso se generó la ruptura de las probetas y posteriormente fueron medidas las
longitudes de fisura. A continuación se detalla el procedimiento adoptado durante el ensayo destructivo.
Con tal de efectuar las mediciones de las longitudes de fisura en forma precisa, es necesario
romper las probetas a través de la prefisura generada en el laboratorio. Debido a la ductilidad del
material utilizado (acero SAE1020) fue necesario emplear nitrógeno líquido para llevar a fase frágil las
probetas. Se llenó un recipiente con éste y se sumergió las probetas hasta inducirlas a una temperatura
de -195⁰C, aproximadamente. Luego a esta temperatura se asegura el cambio de fase dúctil-frágil.
Una vez obtenida dicha temperatura, se rompen las probetas mediante una gata hidráulica. Se
ensaya mediante un apoyo en tres puntos, situando dos apoyos en los extremos de las probetas y el otro
en la parte media superior, sobre la misma línea en que se encuentra la prefisura. Luego se hace
descender el apoyo superior hasta romper las probetas. En la figura N⁰26 se muestran las probetas una
vez ensayadas.
Luego de fracturar las probetas, y debido al ensayo previo de heat tinting, se puede apreciar con
claridad la evolución de la prefisura generada. Para medir esta última se procede a escanear las
73
Capítulo VII
Ensayos y resultados
probetas. Posteriormente se determina la longitud de fisura como un promedio ponderado entre siete
mediciones interiores y el promedio de las dos exteriores. Este promedio ponderado es la longitud de
fisura. En las figuras N⁰27, N⁰28, N⁰29, N⁰30, N⁰31 y N⁰32 se aprecian los cortes en cada probeta y en la
tabla N⁰11 se resumen las mediciones realizadas en cada una. Cabe destacar que las mediciones número
1 y 9 son las mediciones en las caras exteriores, y de las 2 a la 8 son mediciones interiores.
FIG N⁰26. Desarrollo de fisuras en las probetas ensayadas.
FUENTE: Elaboración propia.
FIG N⁰27. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,3. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
74
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰28. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,4. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
FIG N⁰29. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,5. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
75
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰30. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,6. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
FIG N⁰31. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,7. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
76
Capítulo VII
Ensayos y resultados
FIG N⁰32. Desarrollo de fisura en probeta a/w = 0,8. Corte transversal.
FUENTE: Elaboración propia.
Tabla N⁰11. Longitud de fisura medida luego del ensayo destructivo.
Probeta
Longitud de fisura medida [mm]
1
2
3
4
5
0,3
13,20
13,76
13,94
14,09
14,07
0,4
17,12
17,84
18,15
18,38
18,55
0,5
21,42
21,90
22,14
22,21
22,23
0,6
25,46
26,06
26,24
26,25
26,33
0,7
28,06
29,32
29,58
29,73
29,92
0,8
33,47
34,00
34,09
34,14
34,09
77
Capítulo VII
Ensayos y resultados
Tabla N⁰11. Longitud de fisura medida luego del ensayo destructivo (continuación).
Probeta
Longitud de fisura medida [mm]
Longitud de
6
7
8
9
fisura final [mm]
0,3
14,09
13,99
13,92
13,26
13,89
0,4
18,67
18,69
18,58
18,00
18,30
0,5
22,25
22,14
22,06
21,53
22,05
0,6
26,37
26,27
26,03
25,55
26,13
0,7
29,95
29,99
29,92
29,39
29,64
0,8
34,06
34,19
34,14
33,59
34,03
FUENTE: Elaboración propia.
7.4.
Comparación de resultados
En la tabla N⁰12 se muestra la comparación entre ambos ensayos de la longitud de fisura medida
con ultrasonido y con ensayos destructivos.
Tabla N⁰12. Longitud de fisura medida luego del ensayo destructivo.
Probeta
Longitud de fisura [mm]
Porcentaje de
Ensayo destructivo
Ultrasonido
error [%]
0,3
13,89
12,8
7,82
0,4
18,30
17,5
4,38
0,5
22,05
22
0,24
0,6
26,13
26,1
0,11
0,7
29,64
29,6
0,13
0,8
34,04
33,9
0,38
FUENTE: Elaboración propia.
78
Capítulo VIII
Discusión de resultados
Capítulo VIII:
Discusión de resultados
79
Capítulo VIII
Discusión de resultados
Una vez finalizada la fase experimental, el análisis de resultados debe incluir posibles errores que
se puedan cometer debido a la naturaleza de los ensayos realizados: los ensayos de prefisuración, el
ensayo de heat tinting y el de ultrasonido. El ensayo de prefisura se ejecutó bajo supervisión profesional
y arrojó los resultados esperados, por lo que no se esperan errores de consideración. En el segundo de
estos ensayos (heat tinting), se aplicó correctamente tanto la metodología como el procesamiento de los
datos obtenidos por mediciones directas, logrando resultados aceptables. Finalmente, el ensayo de
ultrasonido es el único que daba espacio para discusión.
En la tabla N⁰11 de este estudio se presentan los resultados de las comparaciones entre ambos
ensayos. Se observa que el mayor error obtenido corresponde a un 7,87% mientras que el menor es de
0,11%. Además, el error promedio resulta de un 2,18%, donde en tres de estas muestras se obtuvo un
error bajo 0,4%. Por otro lado, la desviación estándar es de un 3,23%, lo cual muestra gran dispersión de
resultados. Ahora, si se omitiera el error de 7,82% se obtendría un error promedio de 1,05%, menos que
la mitad si se consideran todos los datos. Además se tendría una dispersión de datos de 1,87% lo cual
resulta mucho más bajo. Estas cifras se reducirían muchísimo más si sólo consideráramos los valores de
error de las últimas tres probetas. Esto muestra que las dos primeras lecturas, en especial la primera,
tienen un fuerte impacto en los resultados.
Debido a que el instrumento estaba calibrado correctamente, es improbable que éste presente
un desperfecto que afecte las mediciones. Por otro lado un 7.82% de error es considerable, aunque éste
se haya mostrado solo en una probeta. En general, se puede decir que en la gran mayoría de las probetas
las inspecciones por ultrasonido se realizaron en forma correcta, y que el error cometido,
probablemente, sea producto de un error humano más que del equipo. De todas formas, según lo
expuesto en las especificaciones técnicas del equipo disponibles en el Anexo 1, el error máximo que el
equipo debiera inducir en las lecturas es de un 3%, por lo que en promedio se está bajo lo tolerable.
Otra de las posibles razones frente a este error del 7,87% es el rango de inspección. Según se
muestran en las especificaciones técnicas del equipo, el rango de inspección de este equipo es de 2.5 –
9999 [mm]. Como se muestra en la tabla N⁰10 se aprecia que las profundidades se encuentran entre 9,1
a 30,2 [mm]. Éstas se encuentran dentro del rango de inspección que tolera el equipo utilizado, pero se
debe notar que los mayores errores en las lecturas se producen en las mayores profundidades. Bajo los
21 [mm] el error de inspección baja a menos del 0.4%, mientras que a medida que aumenta la
80
Capítulo VIII
Discusión de resultados
profundidad, aumenta el error. Esto también puede ser motivo del error de lectura cometido.
Por otra parte, el tamaño de las fisuras es particularmente grande si se comparan con el tamaño
de las que normalmente se inspeccionarían. Por un lado mejora potencialmente la localización de éstas
en el material, pero también dificulta las lecturas. Esto se intensifica frente al hecho que la geometría de
las probetas inspeccionadas dificultaba de igual manera las mediciones realizadas.
81
Capítulo IX
Conclusiones
Capítulo IX:
Conclusiones
82
Capítulo IX
9.1.
Conclusiones
Comentarios
El presente estudio tenía dentro de sus principales objetivos verificar la efectividad del método
de inspección por ultrasonido. Si bien es cierto que en un principio se presentaron diversos
inconvenientes, tanto con las probetas como con el método de ensayo, finalmente se logró adecuar
éstas. Se respetaron las condiciones para que las probetas fueran ensayadas en forma correcta, a pesar
de que las muestras iniciales no fueran las adecuadas. Se pudo rectificar cada una de ellas y se realizaron
las entallas sin mayor problema en la UNCOMA. Finalmente, y en un lapso de 2 días, se dejaron en
condiciones apropiadas para realizar los ensayos sin que éstas agregaran incertidumbre errores en las
mediciones.
La aplicación para inspección estructural se planteó de forma que sea fácil poder entender y
recrear en un futuro, aplicado a un nivel de inspección inicial.
9.2.
Conclusiones
a) Se puede concluir que el ensayo de ultrasonido (para equipos con una sensibilidad igual o mayor al
utilizado) es óptimo para detección de defectos a cuanto a longitud, posición y orientación.
Habiendo errores en promedio de 2,18% con una desviación 3,23%, dicha desviación se debe a que
se ha considerado un valor de error máximo que se encuentra en entorno al 7,87%. Sin embargo,
estos valores tienen correspondencia con los valores del método destructivo directo.
b) Los datos obtenidos mediante los métodos destructivos son fidedignos, y representan de muy buena
manera los resultados esperados.
c) El sistema de inspección estructural sugerido también cumple con lo propuesto. Abarca la gran
mayoría de los espesores para perfiles comerciales usados en el ámbito del cálculo estructural con
acero, pero limitado a la calidad de éste. Esta metodología muestra un nuevo punto de vista desde
la ingeniería mecánica, aunque su aplicabilidad sea totalmente aceptable a la especialidad de obras
civiles, donde se necesitan sistemas de inspección estructural de bajo costo, donde no se ejecutaron
ensayos por un problema de recursos, puesto que realizar los primeros ensayos representó un costo
muy alto en comparación a los recursos disponibles.
83
Capítulo X
Recomendaciones
Capítulo X:
Recomendaciones
84
Capítulo X
Recomendaciones
Una probable línea de investigación interesante consistiría en realizar los ensayos de tenacidad a
la fractura, incluyendo distintas calidades de acero estructural. Además, resulta siempre pertinente
diseñar un software que permita automatizar esto hasta un punto de transformarlo en un sistema de
monitoreo estructural.
Debido al tipo de probetas y a los tipos de palpadores se limitó el tipo de ensayo a un cierto
número de casos, descartando desde un principio otros tipos de ensayos lo cuales se podrían hacer en
nuestra universidad. Dentro de estos se encuentran, por ejemplo, ensayos a tracción o a flexión rotativa,
los cuales poseen el inconveniente de que la medición sea compleja debido a la superficie convexa. Esto
se podría solucionar de dos formas: comprando un adaptador para mediciones es este tipo de
superficies o simplemente haciéndolos con cuarzo. Una vez solucionado dicho problema se podría
aplicar a perfiles tipo tubo para vizualizar defectos en elementos estructurales con este tipo de
geometría.
85
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88
Anexos
ANEXOS
Anexo 1: Especificaciones técnicas y características del equipo para inspección por ultrasonido
TUD310.
Características:

Dos unidades: mm/pulg.

Cuatro formas de rectificación: media onda positiva, media onda negativa, onda completa y
radio frecuencia.

Dos modos gráficos: A-Scan y B-Scan

Compuerta de alarma.

32 canales de detección con parámetros separados y curva DAC en cada canal.

Generación automática de curvas DAC con registro de 30 puntos; funciones para corrección de
curvas y ganancias.

Tres modos de detección: palpadores simples, palpadores dobles y TR.

Equipado con puerto USB y memoria flash que puede usarse directamente en el
instrumento.

Datos y documentación son manejados bajo el sistema de archivos FAT, haciendo que el
manejo de los datos de inspección sea más conveniente, rápido y confiable.

Gran memoria de 32 Mb, puede almacenar 1000 gráficos en 32 canales de detección.

Se ha diseñado un nuevo circuito de señal digital para el TUD310, El procesador de señal digital
(DSP) es usado para el análisis de las señales, reduciendo el ruido del circuito y haciendo la onda
más estable.

Permite conectar impresoras de inyección de tinta EPSON mediante el cable USB.

Exhibición y revisión de ondas en tiempo real.
89
Anexos
Especificaciones Técnicas
Items
Descripción
Rango
2.5 mm ~ 9999 mm
Resolución
0.1 mm (2.5 mm ~100 mm) 1mm (100 mm ~5000 mm)
Rango de Ganancia
0 dB ~ 110 dB
Retardo pantalla (D-Delay)
-20 µs ~ +3400 µs
Retardo palpador (P-Delay)
0 µs ~ 99.99 µs，resolución 0.01 µs
Rango de velocidades
1000 m/s ~ 9999 m/s
Ancho de banda
0.2 MHz ~ 15 MHz (Bajo 0.2~1 Medio0.5~4 Alto 3~15)
Error linealidad vertical
≤3%
Error linealidad horizontal
≤0.2%
Rango dinámico
≥32dB
Rectificación
Media onda positiva y negativa, onda completa y RF (no rectificada)
Sensibilidad
≥60dB
Modos de ensayo
Pulso-eco, dual o por transmisión directa
Pulsador
Emisor de impulsos de excitación
Amortiguación
50 ohm, 150 ohm y 400 ohm
Supresión
Lineal, 0-80% de altura de pantalla, variable en pasos de 1%
Unidades
mm/pulg
Interfase
RS232 / USB
Impresora
Impresoras de inyección de tinta EPSON
Energía
85-264V AC/1.0A,47-63Hz
Temperatura
-10º C ~ 40º C
Humedad
20% ~ 90% HR
Alimentación eléctrica
Pilas Li, 4×3.6V 4000mAh
Tiempo de carga
4 ~ 5 horas
Peso
1.47 kg
Dimensiones
243 mm × 173 mm × 70 mm
90
Anexos
Anexo 2: Reporte de Inspección previa a los ensayos. Inspección en espesor igual a 20 [mm] con
palpador recto.
91
Anexos
Anexo 3: Reporte de Inspección previa a los ensayos. Inspección en espesor igual a 45 [mm] con
palpador con ángulo 60⁰.
92
Anexos
Anexo 4: Reporte de Inspección previa a los ensayos. Inspección en espesor igual a 45 [mm] con
palpador recto.
93
Anexos
Anexo 5: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,3
94
Anexos
Anexo 6: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,4
95
Anexos
Anexo 7: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,5
96
Anexos
Anexo 8: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,6
97
Anexos
Anexo 9: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,7
98
Anexos
Anexo 10: Reporte de Inspección probeta a/w = 0,8
99