Comprender el examen ultrasónico en la industria energética

Las pruebas no destructivas (END) se refieren a la inspección de materiales para garantizar su integridad y capacidad de servicio sin dañar los componentes en el proceso. Los inspectores utilizan varios métodos NDT, pero una de las técnicas más utilizadas en la industria energética es la prueba ultrasónica.

Las pruebas ultrasónicas (UT) utilizan el mismo principio que el sonar naval. Cuando el sonar, un término que se originó como un acrónimo de "lectura de navegación de sonido", atraviesa el agua y golpea un objeto, una parte del sonido se refleja en el submarino y proporciona una medida de distancia al objeto.

Antes de la Segunda Guerra Mundial, el sonar inspiró a los primeros inspectores de ultrasonido a explorar formas de aplicar el concepto a otras aplicaciones. Ya en 1929, realizaron estudios para utilizar ondas ultrasónicas en la detección de objetos metálicos. En la década de 1940, los inspectores desarrollaron técnicas ultrasónicas utilizando sondas de pulso-eco analógicas de un solo elemento.

Con la técnica analógica, el sonido se introduce en un componente utilizando un transductor ultrasónico (sonda) de un solo elemento que convierte piezoeléctricamente los impulsos eléctricos de la máquina detectora UT en ondas sonoras mecánicas. El transductor se reconvierte al convertir el sonido en impulsos eléctricos que se pueden mostrar en un tubo de rayos catódicos. Se utiliza un líquido o gel llamado acoplante para transmitir el sonido a la pieza. Los tipos más comunes de ondas de sonido utilizadas en las inspecciones industriales son la onda de haz longitudinal (recta) y la onda de haz transversal (ángulo), con frecuencias UT entre 1 MHz y 10 MHz.

Viga Recta. Cuando los inspectores utilizan onda de haz recto (Figura 1), se envían ondas longitudinales a través de la pieza. Debido a la distancia, si el sonido golpea un reflector interno, el sonido se transmite de regreso al transductor más rápido que el sonido que regresa de la pared posterior de la pieza.

1. Técnica analógica de haz recto. Cortesía: Sociedad Estadounidense de Pruebas No Destructivas (ASNT)

Haz de ángulo. La inspección de haz angular utiliza el mismo tipo de transductor pero montado en una cuña en ángulo para transmitir el haz de sonido a la pieza en un ángulo conocido. Una combinación de transductor de haz angular y cuña se mueve hacia adelante y hacia atrás hacia una soldadura, por ejemplo, para que el haz de sonido la atraviese. Al igual que con el haz recto, los reflectores alineados aproximadamente en forma perpendicular al haz de sonido enviarán el sonido de regreso al transductor. Esto luego se muestra en la pantalla de la máquina detectora de UT.

El avance de la industria de las pruebas no destructivas (END) ha observado la tendencia emergente de más y más tecnologías digitales.

Matriz en fase. La prueba ultrasónica de matriz en fase (PAUT, Figura 2), una técnica digital común, utiliza un transductor con múltiples elementos que se pueden activar individualmente, lo que permite a los inspectores dirigir el haz de sonido. Los datos resultantes forman una imagen visual a través de la pieza inspeccionada.

2. Comparación de las técnicas de prueba ultrasónica (UT) y prueba ultrasónica de matriz en fase (PAUT). Cortesía: ASNT

Con PAUT, el haz puede mapear componentes en los ángulos apropiados. Este proceso simplifica las inspecciones con geometría compleja. El tamaño reducido del transductor y su capacidad para barrer el haz sin mover la sonda facilitan la inspección de componentes a los que el acceso es limitado. El escaneo sectorial de este tipo es típico para las inspecciones de soldadura. La capacidad de probar soldaduras con múltiples ángulos utilizando una sola sonda aumenta la probabilidad de detección de fallas.

El enfoque electrónico permite optimizar la forma y el tamaño del haz en la ubicación esperada del defecto. El enfoque también mejora la relación señal-ruido en material de grano grueso. Las imágenes de C-scan se pueden producir muy rápidamente. Aunque la técnica es más efectiva que la UT normal, los sistemas de matriz en fase son equipos de alto costo y requieren capacitación y competencia adicionales para el personal de UT.

Captura de matriz completa (FMC). FMC es una estrategia de adquisición de datos que permite capturar todas las combinaciones posibles de transmisión y recepción para un transductor PAUT. Los sistemas PAUT usan sondas con múltiples elementos (típicamente de 16 a 128) que son excitados por una computadora de manera controlada usando una ley de retardo específica. Después de la recepción, la contribución de cada elemento se suma para producir un escaneo.

Con FMC, cada elemento del arreglo en una sonda se usa secuencialmente como un solo transmisor, mientras que todos los elementos del arreglo se usan como receptores. Al capturar y almacenar señales A-scan de cada par transmisor-receptor en la matriz, es posible generar imágenes para cualquier haz focal dado y aplicar los últimos algoritmos de posprocesamiento actuales.

Las fallas pueden ocurrir durante las fases de fabricación, fabricación y/o en servicio de una operación. Los tipos de defectos anticipados durante el servicio son diferentes a los que ocurren durante la fabricación o fabricación.

Defectos de fabricación y fabricación. Los ultrasonidos analógicos y las pruebas de radiografía (RT) son dos métodos NDT volumétricos principales que se utilizan en las industrias de fabricación y fabricación. Si bien la detección y el dimensionamiento son posibles con la UT convencional, las indicaciones y fallas observadas con estos métodos están en 2D. Los criterios de aceptación en los requisitos de NDT en las especificaciones de materiales y componentes generalmente aparecen en términos de longitud permitida o tamaño de área, como ninguna indicación mayor a 1/8 de pulgada o 3,18 milímetros. Hay cuatro categorías de defectos de procesamiento de materiales:

Los artículos que tienen fallas que superan los criterios de aceptación se reemplazan o reparan y se vuelven a examinar. Tanto UT como PAUT se utilizan durante la fase de fabricación y fabricación, aunque UT es el método más común.

Defectos en servicio. A diferencia de los defectos de fabricación y fabricación, las fallas en servicio son creadas por el crecimiento térmico, el movimiento cíclico y los fluidos agresivos en los sistemas de tuberías de una planta. Los fluidos pueden producir grietas por tensión intergranular; corrosión de tuberías; grietas cíclicas y térmicas; y grietas en componentes, materiales o soldaduras y zonas afectadas por el calor (HAZ). Cuando las plantas tienen interrupciones, se realiza un mantenimiento periódico para evaluar y abordar la situación. Los ultrasonidos (PAUT/FMC) son el método NDT volumétrico predominante que se utiliza para evaluar las fallas en servicio. Como tal, PAUT está desplazando a RT como el método de examen preferido. Las razones para esto incluyen:

Durante la construcción y fabricación inicial de una planta o estación, los propietarios, las agencias gubernamentales y las compañías de seguros implementan sus estándares asociados que se llevan a la fase de servicio. Algunos códigos y estándares importantes de la industria de energía del Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI) y la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) incluyen ANSI B31.1 Power Piping, ASME Boiler and Pressure Vessel Code (BPVC) Sección I Power Boilers, ASME BPVC Sección VIII ( División 1 y 2) Recipientes a presión, ASME BPVC Sección III Construcción nuclear y ASME BPVC Sección XI Nuclear en servicio.

Los estándares son creados y actualizados por voluntarios de la industria, incluidos usuarios, reguladores y miembros de sociedades profesionales (gerentes, ingenieros y técnicos). Cuando la industria observa avances tecnológicos, los voluntarios reconocen esas mejoras y las adoptan en los estándares de su sociedad.

Los códigos son estándares respaldados por una agencia reguladora que luego se "incorporan por referencia" en las leyes. Los códigos normalmente se citan en una ley o reglamento. Dado que los códigos son, por lo tanto, exigibles por ley, se citan en especificaciones de ingeniería, paquetes de licitación y contratos.

Los pasos que se dan cuando se adoptan mejoras en los estándares y códigos son similares en todas las sociedades técnicas. Normalmente, se presenta un "Caso de código" al comité de estándares aplicable. En el pasado, UT-PAUT se presentó a varios comités de estándares como Casos de Código, tales como:

N 659-2 es un ejemplo en el que una sociedad "aprobó" un Caso de Código con una agencia reguladora en desacuerdo parcial. Code Case N 659-2 permite que los métodos NDT ultrasónicos reemplacen las técnicas de radiografía. Los comités de ASME habían aprobado inicialmente el Caso del Código N 659-2, pero después de su propia revisión, la Comisión Reguladora Nuclear solo aprobó parcialmente el Caso del Código. El cumplimiento de la ley federal se impone a los propietarios de las plantas de energía nuclear y se transmite contractualmente a todos los proveedores y subcontratistas de las empresas de servicios nucleares.

Para los inspectores de NDT, la calificación y la certificación son necesarias para realizar evaluaciones UT-PAUT adecuadas en la industria de tuberías de proceso y energía. Los códigos Power Piping (B31.1) y Process Piping (B31.3) contienen secciones que abordan el diseño, los materiales, los requisitos dimensionales, la fabricación, el montaje, el montaje, la inspección, el examen y las pruebas. La sección de inspección hace referencia a las pruebas no destructivas de la sección V de ASME BPVC. Esto hace que los requisitos en el documento secundario sean contractuales.

El Artículo 1 de la Sección V de ASME BPVC (con el Apéndice II Obligatorio) cita los requisitos generales para las calificaciones del personal de NDT, incluidos los requisitos para el personal de UT-PAUT. Asimismo, incorpora los documentos SNT-TC-1A (Edición 2016) de la American Society for Nondestructive Testing (ASNT), modificados por ASME V, Artículo 4, Apéndice III Obligatorio; o ANSI/ASNT CP-189 (Edición 2016), modificada por ASME V, Artículo 4, Apéndice IV obligatorio.

Estados Unidos tiene 92 plantas de energía nuclear en funcionamiento. En la industria nuclear, se requieren exámenes no destructivos previos al servicio y durante el servicio y deben seguir los códigos implementados. La Sección XI de ASME BPVC rige los sistemas de la planta en la contención del reactor, que en muchas plantas incluye un reactor, un presurizador, generadores de vapor, tuberías principales de vapor y tuberías de refrigerante del reactor. Para cumplir con los requisitos del código, el personal de UT-PAUT debe cumplir con ASNT CP-189, modificado por los Apéndices VII y VIII de ASME BPVC Sección XI.

Los patrones que cumplan con el programa base de calificación de personal de la UT deberán seguir la CP-189 y el Anexo VII. El personal de UT y PAUT también debe obtener la calificación en los Suplementos Obligatorios del Apéndice VIII al examinar la mayoría de los componentes de contención. Por lo general, el personal obtiene estas certificaciones al calificar con el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI). Los otros edificios de una planta nuclear, como el edificio auxiliar principal y el edificio de turbinas, se conocen como el balance de la planta (BOP) y para los exámenes UT y PAUT se rigen por ANSI B31.1.

El transductor ultrasónico analógico de haz recto de un solo elemento utilizado principalmente desde la década de 1940 evolucionó hasta convertirse en un transductor de 64 a 128 elementos controlado por computadora que puede ubicar, dimensionar y crear imágenes de fallas en tiempo real. Los esfuerzos diligentes de los voluntarios y las organizaciones de la sociedad profesional para incorporar tecnología nueva y avanzada en los estándares y códigos son esenciales para la transformación de la industria. Cuando organizaciones como la ASNT adoptan nueva tecnología en sus programas de capacitación para respaldar los requisitos del código, el personal de UT-PAUT está equipado con los conocimientos y habilidades de inspección más recientes.

—AM (Marty) Wenzig es miembro de la American Society for Nondestructive Testing Inc. (ASNT) y miembro del comité de defensa de la ASNT. Aunque ahora está jubilado, Wenzig era un inspector, educador y examinador de NDT altamente calificado. Wenzig fue presidente y director ejecutivo de Industrial Testing Laboratory Services de 1999 a 2020.

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