Javier Iturriaga & Johan González

17 de diciembre 2015

Facultad de IngenieríaEscuela de Ingeniería Mecánica

Montaje industrial

Solicitud Nº 3

Índice

1 Introducción.........................................................................................................................1

2 Aspectos generales del tema considerado (Características generales, aplicaciones, fundamentos técnicos, etc.).........................................................................................................2

2.1 Fácil de usar..................................................................................................................2

2.2 Aplicaciones..................................................................................................................2

2.2.1 Aplicaciones:.........................................................................................................3

2.2.1.1 Lubricación basada en la condición acústica.....................................................3

2.2.1.2 Detección de fugas de aire comprimido...........................................................4

2.2.1.3 Inspección de sistemas con vapor....................................................................5

2.2.1.4 Inspecciones eléctricas.....................................................................................5

2.2.1.5 Cavitación en bombas.......................................................................................6

2.2.1.6 Inspección exterior de construcciones.............................................................7

2.2.1.7 Análisis de rodamientos....................................................................................8

2.3 Fundamentos técnicos.................................................................................................8

2.4 Ultrasonido y termografía............................................................................................9

2.5 Ultrasonido y análisis de vibraciones..........................................................................11

2.6 Respaldo de datos......................................................................................................12

3 Caracterización del equipo de Ultrasonido........................................................................13

3.1 Caracterización de equipos de US bajo la Norma ASTM E 1324.................................13

3.1.1 Mediciones en la Fuente de Alimentación..........................................................13

3.1.2 Mediciones en el Generador de Pulsos..............................................................13

3.1.3 Mediciones en el Receptor.................................................................................14

4 Equipos de Ultrasonido......................................................................................................14

4.1 Equipo de detección de fallas.....................................................................................14

4.2 Equipo de Espesores...................................................................................................15

5 Conclusión y análisis personales.........................................................................................15

6 Bibliografía.........................................................................................................................17

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Ilustraciones

Ilustración 1.ultrasonido fácil de usar..........................................................................................2Ilustración 2.aplicaciones.............................................................................................................2Ilustración 3.lubricacion en condiciones acústicas.......................................................................4Ilustración 4.pruebas de aire comprimido...................................................................................4Ilustración 5.inspección ultrasonido en sistemas de vapor..........................................................5Ilustración 6.ultrasonido en sistemas eléctricos...........................................................................6Ilustración 7.inspeccion de cavitación..........................................................................................7Ilustración 8.ultrasonido en estructuras......................................................................................7Ilustración 9.tabla de inspección de rodamientos........................................................................8Ilustración 10.aislante dañado.....................................................................................................9Ilustración 11.ultrasonido y termografía....................................................................................10Ilustración 12.ultrasonido y vibraciones.....................................................................................11Ilustración 13.pulsos..................................................................................................................14Ilustración 14.Equipo de detección de fallas..............................................................................14Ilustración 15.Equipo de Espesores............................................................................................15

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1 Introducción

La inspección por ultrasonido se define como un procedimiento de inspección no destructivo de tipo mecánico, y su funcionamiento se basa en la impedancia acústica, la que se manifiesta como el producto de la velocidad máxima de propagación del sonido entre la densidad del material. Cuando se inventó este procedimiento, se medía la disminución de intensidad de energía acústica cuando se hacían viajar ondas supersónicas en un material, requiriéndose el empleo de un emisor y un receptor. Actualmente se utiliza un único aparato que funciona como emisor y receptor, basándose en la propiedad característica del sonido de reflejarse al alcanzar una interface acústica. Los equipos de ultrasonido que se utilizan actualmente permiten detectar discontinuidades superficiales, sub-superficiales e internas, dependiendo del tipo de palpado utilizado y de las frecuencias que se seleccionen dentro de un rango que va desde 0.25 hasta 25 MHz. Las ondas ultrasónicas son generadas por un cristal o un cerámico piezoeléctrico denominado transductor y que tiene la propiedad de transformar la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Al ser excitado eléctricamente el transductor vibra a altas frecuencias generando ultrasonido. Las vibraciones generadas son recibidas por el material que se va a inspeccionar, y durante el trayecto la intensidad de la energía sónica se atenúa proporcionalmente a la distancia del recorrido. Al alcanzar la frontera del material, el haz sónico es reflejado, y se recibe el eco por otro (o el mismo) transductor. Su señal es filtrada e incrementada para ser enviada a un osciloscopio de rayos catódicos.

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2 Aspectos generales del tema considerado (Características generales, aplicaciones, fundamentos técnicos, etc.)

Es una técnica bastante difundida por tres factores: fácil de usar, versatilidad y bajos costos de implementación. Pero, para que sea un real apoyo al mantenimiento, previo a la adquisición del instrumento se debe definir cuales sistemas son los más importantes y que la aplicación del ultrasonido entregará información relevante. Además dimensionar los requerimientos de recursos tanto humanos como físicos.

2.1 Fácil de usar

Fácil de usar no significa necesariamente simplicidad. El trabajo interno del recolector de datos de ultrasonido es complejo. Sin embrago los fabricantes proveen al usuario con aparatos ergonómicos e interface fáciles de interpretar. El principio es traer un sonido del rango que no es audible por el ser humano a un espectro de sonido que si lo es, y además que un rodamiento suene como rodamiento y una fuga suene como tal.

Ilustración 1.ultrasonido fácil de usar.

2.2 Aplicaciones

Las aplicaciones más comunes incluyen la detección de fugas, monitorea miento de la condición y lubricación basada en la acústica de rodamientos. Además, en empresas específicas se monitorean trampas de vapor, pequeñas calderas, condensadores e intercambiadores de calor. Otras en conjunto con inspección con infrarrojos, realizan mantenimiento predictivo de las subestaciones eléctricas y sistemas de seguridad.

Ilustración 2.aplicaciones.

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Tradicionalmente una excesiva vibración o un aumento de la temperatura son indicadores de una falla mecánica en un horizonte de tiempo no muy lejano. Cambios microscópicos en las fuerzas de fricción son detectables con pruebas de ultrasonido bastante tiempo antes de que la máquina entre al estado crítico de la falla, proveyendo una ventana más amplia para planificar el mantenimiento. Escuchando los problemas en una etapa temprana, los daños son mínimos y el mantenimiento requerido se completa con un impacto menor sobre todas las operaciones del proceso.

2.2.1 Aplicaciones:

2.2.1.1 Lubricación basada en la condición acústica.Los defectos en máquinas rotativas producen un amplio espectro de sonidos. Pero sólo

problemas específicos como la fricción producen ondas acústicas de impulsos de choque en alta frecuencia.

Por otra parte, el uso de sensores ultrasónicos resonantes actúa como un amplificador mecánico de la alta frecuencia. Además, el detector de ultrasonidos de los equipos SDT200/270 tiene una excelente relación de señal ruido que permite la detección de variaciones débiles de vibraciones. Como resultado, el espectro de ultrasonido es una técnica muy selectiva:

Destaca los fenómenos de alta frecuencia y revela así la condición de la lubricación. Minimiza totalmente la baja frecuencia, no deseada en esta función, pues podría

enmascarar la condición de la lubricación.

Otra cuestión importante es que los ultrasonidos son un método sencillo, fácil de usar por cualquier técnico de lubricación. La comprobación del estado de la lubricación es simple, inmediato y no requiere un análisis posterior que complique el proceso.

Por otro lado, las soluciones automáticas o en intervalos de re lubricación fijos de lubricación a base de manuales son a menudo inapropiados porque no toman en cuenta las variaciones de:

Las condiciones de trabajo, tales como la temperatura, la velocidad de giro, la carga o el tipo de rodamiento.

Las condiciones ambientales, tales como la temperatura ambiente, la corrosión o el polvo.

Sin embargo, estos parámetros tienen una gran influencia en los requisitos de lubricación de los rodamientos. Estos parámetros podrían ser diferentes para rodamientos iguales instalados en máquinas diferentes. También podrían variar de un equipo a otro según su uso.

Aquellos que no utilizan ultrasonidos para optimizar el engrase normalmente añaden más grasa de la necesaria en las operaciones de re lubricación. La sobre lubricación implica un aumento de la temperatura, dilatación de las obturaciones, contaminación interna y en consecuencia un desgaste prematuro de los rodamientos.

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Por último, los ultrasonidos responden a los tres problemas fundamentales que encuentran los técnicos de lubricación con las operaciones de engrase:

Si el rodamiento necesita ser engrasado o no. Si necesita grasa, qué cantidad de grasa agregar. Y cuál será el siguiente intervalo de re lubricación.

Ilustración 3.lubricacion en condiciones acústicas.

2.2.1.2 Detección de fugas de aire comprimido.La detección de ultrasonidos en el aire “airborne ultrasound” (que no debemos confundir

con la aplicación del ultrasonido pulso-eco utilizado en NDT) se lleva a cabo con instrumentos que permiten al oído humano “escuchar” sonidos que se producen en frecuencias muy altas (a partir de 20 KHz.) que sin ayuda de estos instrumentos sería imposible oír. Al mismo tiempo, el instrumento es capaz de cuantificar la intensidad del sonido expresado en dB, mostrando su valor en un display de forma que haciendo mediciones periódicas podamos estudiar la evolución de un problema y su tendencia en el tiempo.

Ilustración 4.pruebas de aire comprimido.

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2.2.1.3 Inspección de sistemas con vapor.Las trampas de vapor pueden ser diferenciadas por su modo de operación ya que

pueden ser de operación continua (modulante) o de operación cíclica. Los equipos Ultra probé ayudan al inspector a identificar de manera confiable el modo operativo de la trampa de vapor en todo tipo de ambientes.

Los inspectores pueden seleccionar desde un equipo analógico simple hasta un instrumento digital sofisticado con termómetro infrarrojo integrado, análisis espectral y memoria para administración de datos.

Los métodos de inspección varían dependiendo del tipo de trampa de vapor, por lo que la primera regla es conocer bien los detalles operativos de tu sistema. La inspección ultrasónica de trampas de vapor es considerada como “positiva” si el operador de manera instantánea puede identificar las características acústicas y diferenciales de intensidad y como consecuencia determinar adecuadamente su condición operativa.

Ilustración 5.inspección ultrasonido en sistemas de vapor.

2.2.1.4 Inspecciones eléctricas.Las descargas parciales, el seguimiento, el arco y el efecto corona producen ionización

que perturba las moléculas de aire circundantes. Un Ultraprobe detecta los sonidos de alta frecuencia producidos por estas emisiones y las traduce (mediante la modulación de señales heterodinas) al rango audible. Cada emisión emite cierta calidad acústica especifica que es escuchada en los audífonos y su intensidad de señal es observada en la pantalla del instrumento. Estos sonidos pueden ser grabados y analizados a través del software de análisis espectral para hacer diagnósticos y reportes.

Normalmente el equipo eléctrico debería de ser silencioso, aunque existen equipos como los transformadores que pueden producir un zumbido constante a 60 ciclos o un ruido mecánico constante. Estos sonidos no deben de ser confundidos con los sonidos erráticos y no continuos de la ionización o descargas.

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Antes de iniciar cualquier inspección eléctrica, asegúrese de repasar y cumplir con todos los procedimientos de seguridad de su compañía. Escaneamos los equipos eléctricos con el Ultraprobe porque los sonidos detectados nos ayudan a localizar exactamente de donde viene a emisión de una manera rápida y sencilla. Cuando no es posible acercarse a un equipo por cuestiones de seguridad pueden ser utilizados módulos de detección de larga distancia. UE Systems cuenta con dos modelos diferentes, un disco parabólico (Concentrador de Ondas Ultrasónicas UWC) y el módulo de largo alcance (LRM). Estos sensores direccionales y altamente sensitivos duplican la distancia de detección del instrumento con respecto a un módulo de escaneo normal y tienen un ángulo de detección más cerrado lo que facilita la ubicación de la deficiencia.

Para diagnósticos más acertados, el software de análisis espectral ayuda a identificar patrones de sonido relacionados a las emisiones eléctricas a través de las pantallas FFT y Serie de Tiempo. Algunos de los equipos más avanzados tienen integrados capacidades de grabación de sonidos y/o análisis espectral para poder hacer algún diagnostico en campo.

Ilustración 6.ultrasonido en sistemas eléctricos.

2.2.1.5 Cavitación en bombas.La cavitación usualmente es el resultado de operar una bomba más allá de sus

especificaciones o el caso de sistemas hidráulicos utilizando un aceite que no reúne las condiciones necesarias de liberación de aire. El fenómeno de cavitación se ocasiona cuando pequeñas burbujas de aire explotan como consecuencia de un cambio súbito de presión erosionando los componentes internos de las bombas, especialmente las superficies de los alabes.

Estas explosiones son claramente identificables aun en un ambiente muy ruidoso utilizando un detector ultrasónico.

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Ilustración 7.inspeccion de cavitación.

2.2.1.6 Inspección exterior de construcciones.Para asegurar el cierre hermético de los recintos.

Ilustración 8.ultrasonido en estructuras.

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2.2.1.7 Análisis de rodamientos.Una vez definida la línea de referencia (decibeles para un funcionamiento normal) la

siguiente tabla muestra un análisis del comportamiento y su acción para ejecutar el mantenimiento.

Ilustración 9.tabla de inspección de rodamientos.

2.3 Fundamentos técnicos

Una colección de datos de ultrasonido ofrece una valiosa información para identificar las condiciones normales de funcionamiento y analizar cambios que afectan la entrega del servicio esperado del equipo productivo. Todo equipo rotatorio produce fuerzas de fricción que emiten ondas de ultrasonido características las cuales a menudo son enmascaradas por el ruido ambiental de la planta y vibraciones de baja frecuencia. El análisis de vibraciones es una tecnología que acompaña de muy buena forma porque provee lecturas normalizadas.

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2.4 Ultrasonido y termografía

La mayoría de las fallas eléctricas son el resultado de descargas parciales.

Se define descarga parcial como una descarga eléctrica localizada en un sistema de aislamiento que no hace puente entre los electrodos.

La descarga es descrita ya sea como un “arco” o “chispa” que puede ser entre fase y fase o fase y tierra.

Las descargas parciales son destructivas del conductor o el aislante y a lo largo del tiempo el componente fallará. Las descargas parciales es un problema común en alto voltaje, pero también puede ser problemático en dispositivos de distribución de bajo voltaje.

Una de las etapas de la descarga parcial es la llamada “Tracking”, la cual es difícil de detectar ya que no muestra ningún alza de temperatura. El “Tracking” comienza con un bajo zumbido y crepitado, y crece en intensidad hasta que alcanza el punto de salto del destello. Después que el destello ocurre se tranquiliza de nuevo.

En este constante crecimiento en intensidad y descarga conducirán al rompimiento del aislante y a un más destructivo arco. Típicamente, la falla eléctrica sólo genera calor una vez que a alcanzado un estado avanzado. Apoyándose solo en IR puede dar como resultado un diagnóstico equivocado.

Ilustración 10.aislante dañado.

Hay que tener presente que la electricidad seguirá siempre el camino más fácil para hacer tierra. La suciedad, polvo y humedad aumenta la oportunidad para que el “tracking” establezca su camino a tierra. Ultrasonido y termografía. El “tracking” indica la presencia de un equipo en falla, pero cuando se detecta en su fase inicial, se puede detener su avance con simples acciones de mantenimiento.

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Ilustración 11.ultrasonido y termografía.

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2.5 Ultrasonido y análisis de vibraciones

El ultrasonido extiende la habilidad de escuchar ondas sonoras que están por encima de nuestra capacidad auditiva. El análisis de vibraciones aumenta nuestro sentido del tacto para capturar pequeños movimientos.

Ilustración 12.ultrasonido y vibraciones

El ultrasonido dará una indicación del cambio en el nivel ultrasónico y de la característica del sonido escuchado (información subjetiva), pero no dice la causa específica del cambio. Inspectores con alta experiencia pueden tener una muy buena idea de la condición del rodamiento basado en la característica del sonido, pero transmitir esta experiencia es difícil. Es aquí donde el análisis de vibraciones interviene. Es importante obtener una información más detallada de otra fuente para tener un cuadro completo del elemento analizado. El análisis de vibraciones detecta el origen del impacto que está afectando al elemento rotatorio.

En el mundo industrial se dan combinaciones de eventos que llegan a hasta el personal y cambia la percepción. Un examen de ultrasonido puede mostrar un aumento del ruido al interior de una bomba, pero un análisis de vibraciones no muestra nada anormal, ¿qué está pasando? Hay otra variable en juego, que es la variación del flujo de líquido por requerimientos de producción lo cual aumenta la turbulencia en el interior de la bomba. Mientras más fuentes pertinentes de información son consultadas (incluida la experiencia del operador) mejor será el diagnóstico de la condición del equipo. Ultrasonido y análisis de vibraciones se potencian mutuamente ya que muchas veces lo que una detecta la otra lo valida.

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2.6 Respaldo de datosEs simple escuchar y definir si la condición es suave, áspera u otra. Pero es otra cosa

detener un equipo productivo por una condición áspera en su funcionamiento. Para tomar esa decisión se hace imperativo tener un conjunto de datos que la respalden, y estos deben cubrir en el tiempo la evolución del espectro sonoro desde la condición de referencia. El instrumental actual permite archivar las lecturas que captura el aparato de ultrasonido.

Hay dos razones para grabar los archivos de ultrasonido:

La primera es para construir una biblioteca, compartir y entrenar. La segunda es para comparación, tendencias, análisis y diagnóstico.

Para quienes desean especializarse en el análisis del ultrasonido en rodamientos de baja velocidad, lubricación, compresores recíprocos e inspecciones eléctricas, debe seleccionar muy bien el sistema de grabación más adecuado entre MP3, Digital Wave Format o bien el sistema propio del aparato.

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3 Caracterización del equipo de Ultrasonido

Los equipos, pueden presentar dispersiones en sus características que afectan directamente la calidad de las mediciones realizadas, trayendo como consecuencia mediciones inexactas que pueden llevar a una evaluación de los resultados alejada de la realidad.

Es por esto que se deben realizar controles periódicos por personal técnico calificado para verificar que el equipo esté dentro de los límites de tolerancia indicados por las normas de aplicación, asegurando así la calidad de las mediciones realizadas.

Para caracterizar un equipo de ultrasonido pueden seguirse distintas normas, que generalmente difieren muy poco entre sí. Las dos más importantes para utilizar: la norma europea EN 12668-1 y, la más utilizada, la norma americana ASTM E 1324. Estas normas dividen al equipo de Ultrasonido, básicamente, en las siguientes etapas:

Fuente de alimentación Generador de pulsos o pulser Receptor Base de tiempo Gates y alarmas

3.1 Caracterización de equipos de US bajo la Norma ASTM E 1324

Esta norma está orientada para calibrar equipos de ultrasonido que operen en el rango que va de los 100KHz a los 25MHz.

El conjunto de mediciones propuestas está pensado para ser llevado a cabo por personal con conocimientos en electrónica, con el fin de evaluar los módulos electrónicos del sistema y comparar estos resultados con las especificaciones técnicas dadas por el fabricante.

Todas las mediciones se hacen en puntos normalmente accesibles desde el exterior, por lo que no se requiere acceso al circuito interno del equipo. Las mediciones que se realizan en se describen a continuación.

3.1.1 Mediciones en la Fuente de Alimentación Tiene por objeto asegurar el correcto funcionamiento del equipo dentro de un rango de

tensiones de alimentación. La señal de pantalla no debe variar más de un 10% dentro de ese rango.

3.1.2 Mediciones en el Generador de Pulsos El pulso generado por esta etapa puede ser, básicamente, de 2 tipos: sintonizado y no

sintonizado. Dentro de ésta última categoría están los de pico y los rectangulares, como se puede observar en la figura 1. Nuestro análisis se va a centrar en los generadores de pulsos no sintonizados por ser los de mayor uso en equipos comerciales.

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Ilustración 13.pulsos.

3.1.3 Mediciones en el ReceptorSe observan parámetros como:

Linealidad Vertical Respuesta en frecuencia Ruido (sensibilidad instrumento) Control de ganancia

3.1.4 Mediciones de los Gates y Alarmas

Se observan parámetros como:

Retardo y ancho Nivel de alarma Uniformidad de la ganancia en el gate Salida analógica

4 Equipos de Ultrasonido

4.1 Equipo de detección de fallasEstos equipos dan soporte a un abanico completo de herramientas de medición,

permiten la calibración de defectos y una medición de la profundidad muy certera, además de contar con la posibilidad de medición de ubicaciones horizontales. Los esquemas de colores, de fácil utilización, hacen que la medición sea sencilla y veloz.

Ilustración 14.Equipo de detección de fallas.

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4.2 Equipo de EspesoresLos medidores de espesores ofrecen la máxima precisión en una gama completa de

funcionalidades de fácil de uso, compacto y resistente. Se utilizan para las mediciones de espesores que requieren un grado mayor de precisión en metal y componentes de plástico de geometrías complejas que los hace difíciles de inspeccionar con medidores convencionales.

Son capaces de mostrar la respuesta ultrasónica en tiempo real para alinear correctamente el transductor y verificar la exactitud de la prueba. Está diseñado para un fácil uso con indicaciones fáciles de entender en pantalla, sin necesidad de teclas especiales.

Ilustración 15.Equipo de Espesores.

5 Conclusión y análisis personales

La tecnología de ultrasonidos ofrece múltiples aplicaciones dentro del mundo del mantenimiento industrial, ya que permite detectar y analizar problemas producidos por turbulencias o fricción en los diferentes componentes de las instalaciones y equipos.

Por ello la importancia que este instrumento desarrolla, pudiendo evitar pérdidas propias a la empresa (en el ámbito de la producción o abastecimiento) o, que dependiendo de la gravedad de la falla, pueda terminar en lesión para el operador y/o trabajadores.

Además es importantísimo que el equipo de ultrasonido este en las condiciones adecuadas de calibración y revisado periódicamente, ya que podemos estar confiando en un equipo que entrega mediciones erróneas y, por lo tanto, esto afecta a la calidad y confiabilidad de los resultados obtenidos.

Las normas actuales referidas a la competencia de laboratorios de ensayo exigen una calibración periódica del equipamiento utilizado en estos, y por lo tanto son extensivas a los ensayos no destructivos.

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De esta forma, el ultrasonido es uno de los instrumentos, actualmente, más utilizados en el área de mantenimiento de las empresas industriales y otros relacionados con el rubro. La capacidad para la detección de fallas o de posibles fallas, da una orientación precisa del camino a seguir para calcular el tiempo correspondiente en que la máquina o equipo debe parar para su optimo mantenimiento, en orientación a la correcta y conjunta participación del hombre con la máquina.

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6 Bibliografía

(s.f.). ASTM E 1324-00. Standard Guide for Measuring some Electronic Characteristics of Ultrasonic Examination Instruments. Obtenido de • ASTM E 1324-00. Standard Guide for Measuring some Electronic Characteristics of Ultrasonic Examination Instruments.

chirinossilvaroger. (2012). Obtenido de trabajo-de-ensayos-no-destructivos: https://chirinossilvaroger.files.wordpress.com/2012/05/trabajo-de-ensayos-no-destructivos.pdf

Espinosa, F. (s.f.). campus curico. Obtenido de mantenimiento: http://campuscurico.utalca.cl/~fespinos/ULTRASONIDO%20PARA%20EL%20MANTENIMIENTO.pdf

preditec. (s.f.). Obtenido de blog: http://www.preditec.com/extranet/blog/articulos/septiembre_03.pdf

preditecnico. (2014). Obtenido de lubricacion-basada-en-ultrasonidos.: http://www.preditecnico.com/2014/04/lubricacion-basada-en-ultrasonidos.html

uesystems. (s.f.). Obtenido de aplicaciones: http://www.uesystems.eu/es/aplicaciones/inspeccion-de-trampas-de-vapor-y-valvulas/

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