MANUAL DE
PARTÍCULAS MAGNÉTICAS NIVEL
I y II
Partículas Magnéticas
Partículas Magnéticas Nivel I y II
CONTENIDO
Introducción 4
i. ¿Qué son las pruebas no destructivas? 4
ii. Antecedentes históricos 4
iii. Falla de materiales 4
iv. Clasificación de las Pruebas no Destructivas 7 v. Razones para el uso de Pruebas no Destructivas 8 vi. Factores para la selección de las Pruebas no Destructivas 9 vii. Calificación y certificación del personal de Pruebas no Destructivas 9
Capítulo I: Principios de Partículas Magnéticas 13
i. Principios básicos 13
ii. Antecedentes históricos 13
iii. Aplicaciones 13
iv. Ventajas 14
v. Limitaciones 14
vi. Teoría de los campos magnéticos 14
Capítulo II: Características de Campos Magnéticos 22
i. Imanes tipo barra 22
ii. Imanes tipo anillo 22
Capítulo III: Efectos de Discontinuidades en Materiales 24
i. Discontinuidades superficiales 24
ii. Superficies onduladas 25
iii. Discontinuidades subsuperficiales 26
iv. Fuerza de un campo de fuga 26
v. Formación de indicaciones 27
Capítulo IV: Magnetización con Corriente Eléctrica 28
i. Campo circular 28
ii. Campo longitudinal 37
Capítulo V: Selección del Método Apropiado 42
i. Aleación, forma y condiciones de la pieza 42
ii. Tipo de corriente de magnetización 42
iii. Requisitos de corriente 46
iv. Secuencia de operaciones 53
Capítulo VI: Materiales de Inspección 58
i. Características de las partículas magnéticas 58 ii. Clasificación de las partículas magnéticas 59
iii. Condición de la superficie 71
iv. Sensibilidad de los métodos 71
Capítulo VII: Principios de Desmagnetización 77
i. Magnetismo residual 77
ii. Razones que obligan a la desmagnetización 78 iii. Cuando la desmagnetización no es necesaria 79 iv. Campo residual longitudinal y circular 79
v. Curva de histéresis 80
vi. Principios básicos de la desmagnetización 86
vii. Métodos de desmagnetización 88
Capítulo VIII: Equipo de Inspección 94
i. Consideraciones para seleccionar el equipo 94
ii. Equipo portátil 95
iii. Equipo móvil 97
iv. Equipo estacionario 98
Capítulo IX: Discontinuidades en los Materiales 102
i. Discontinuidades inherentes 102
ii. Discontinuidades de proceso primario 105 iii. Discontinuidades de proceso secundario 113
iv. Discontinuidades de servicio 115
Capítulo X: Interpretación de Indicaciones 119
i. Determinación de la naturaleza de una indicación 119 ii. Registro de indicaciones relevantes o verdaderas 122
Capítulo XI: Documentos 124
i. Códigos, normas y especificaciones 124
ii. Procedimientos de inspección 126
iii. Criterios de aceptación y rechazo 128
Capítulo XII: Glosario de Términos 130
Capítulo XIII: Anexos 134
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INTRODUCCIÓN
i. ¿Qué son las pruebas no destructivas?
Las Pruebas no Destructivas son herramientas fundamentales y esenciales para el control de calidad de materiales de ingeniería, procesos de manufactura, confiabilidad de productos en servicio y mantenimiento de sistemas, cuya falla prematura puede ser costosa o desastrosa. Así como la mayoría de procedimientos complejos, no pueden ser definidas en pocas palabras, por lo cual se definen como: “El empleo de
propiedades físicas o químicas de materiales, para la evaluación indirecta de materiales sin dañar su utilidad futura”.
Se identifican comúnmente con las siglas: PND; y se consideran sinónimos a: Ensayos no destructivos (END), inspecciones no destructivas y exámenes no destructivos.
ii. Antecedentes históricos
El método de prueba no destructiva original, y más antiguo, es la inspección visual; una extensión de esta prueba son los líquidos penetrantes, el inicio de los cuales es considerado con la aplicación de la técnica del “aceite y el talco (blanqueador)”. A continuación se proporcionan fechas relacionadas con acontecimientos históricos, descubrimientos, avances y aplicaciones, de algunas pruebas no destructivas.
1868 Primer intento de trabajar con los campos magnéticos 1879 Hughes establece un campo de prueba
1879 Hughes estudia las Corrientes Eddy
1895 Roentgen estudia el tubo de rayos catódicos 1895 Roentgen descubre los rayos “X”
1896 Becquerel descubre los rayos "Gamma" 1900 Inicio de los líquidos penetrantes en FFCC 1911 ASTM establece el comité de la técnica de MT 1928 Uso industrial de los campos magnéticos
1930 Theodore Zuschlag patenta las Corrientes Eddy
1931 Primer sistema industrial de Corrientes Eddy instalado 1941 Aparecen los líquidos fluorescentes
1945 Dr. Floy Firestone trabaja con Ultrasonido 1947 Dr. Elmer Sperry aplica el UT en la industria
iii. Falla de materiales
Debemos aclarar la diferencia entre productos, de acuerdo con sus aplicaciones:
z Algunos productos son usados únicamente como decorativos, o tienen requisitos
de resistencia a esfuerzos tan bajos que son normalmente sobre diseñados, estos materiales podrían requerir una inspección solamente para asegurar que mantienen su calidad de fabricación, como el color y acabado.
z Los productos o materiales que necesitan pruebas y evaluación cuidadosa son
aquellos utilizados para aplicaciones en las cuales deben soportar cargas, temperatura, etc.; bajo esas condiciones la falla puede involucrar el sacar de operación y desechar el producto, reparaciones costosas, dañar otros productos y la pérdida de la vida humana.
Se define como ”Falla” a: “el hecho que un artículo de interés no pueda ser utilizado”. Aunque un artículo fabricado es un producto, el material de ese producto puede fallar; así que, los tipos de falla del material y sus causas son de gran interés. Existen dos tipos generales de falla:
1. La “fractura o separación en dos o más partes”; y
2. La “deformación permanente o cambio de forma y/o posición”.
Es de gran importancia conocer el tipo de falla que se puede esperar, para que puedan responderse las siguientes cuestiones:
z ¿Para qué se realiza la inspección?
z ¿Qué método de inspección se debe utilizar? z ¿Cómo se va a llevar a cabo la inspección? z ¿Cómo se reduce el riesgo de falla?, y z ¿Cómo se elimina la falla?
Si esperamos evitar la falla por medio del uso de pruebas no destructivas, estas deben ser seleccionadas, aplicadas y los resultados deben ser interpretados y evaluados con cuidado, y basándose en el conocimiento válido de los mecanismos de falla y sus causas.
El conocimiento de los materiales y sus propiedades es muy importante para cualquier persona involucrada con las pruebas no destructivas. El propósito del diseño y aplicación de las pruebas debe ser el control efectivo de los materiales y productos, con el fin de satisfacer un servicio sin que se presente la falla prematura o un daño.
La fuente de la falla puede ser: 1. Una discontinuidad,
2. Un material químicamente incorrecto, o
3. Un material tratado de tal forma que sus propiedades no son adecuadas.
La detección de discontinuidades es considerada, normalmente, como el objetivo más importante para la aplicación de las pruebas no destructivas.
Por lo anterior, la mayoría de pruebas está diseñada para permitir la detección de algún tipo de discontinuidad interior o exterior y, para ciertos casos, la determinación o medición de algunas características, puede ser de un solo material o grupos de materiales.
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Para efectos de evaluación mediante Pruebas no Destructivas los términos irregularidad, imperfección, discontinuidad y falla son usados indiferentemente, como sinónimos, para identificar algo que está presente en el objeto, parte o ensamble y que es cuestionable su presencia.
A continuación se proporciona la definición (del documento E 1316 de ASTM) de algunos términos utilizados al efectuar la interpretación y evaluación de los resultados obtenidos al aplicar las Pruebas no Destructivas.
Discontinuidad
Una falta de continuidad o cohesión; una interrupción intencional o no intencional en la estructura o configuración física normal de un material o componente.
Se considera como discontinuidad a cualquier cambio en la geometría, huecos, grietas, composición, estructura o propiedades. Algunas discontinuidades como barrenos o formas de superficies, son intencionales en el diseño, normalmente estas no requieren ser inspeccionadas.
Otras discontinuidades son inherentes en el material debido a su composición química o estructura, el tipo de material, el tratamiento térmico, el proceso de fabricación, las condiciones y el medio ambiente al que están expuestos los materiales; estas discontinuidades pueden variar ampliamente en tamaño, distribución e intensidad; en este caso, son las discontinuidades que se requiere detectar.
En general, existen dos clasificaciones de discontinuidades: 1. Por su forma:
Volumétricas.- Descritas porque tienen tres dimensiones o volumen
Planas.- Descritas porque son delgadas en una dimensión y grandes en las otras
dos dimensiones 2. Por su ubicación:
Superficiales.- Descritas porque se encuentran abiertas a la superficie Internas.- Descritas porque no interceptan la superficie
Otras clasificaciones de discontinuidades:
Relevantes.- Son aquellas que por alguna de sus características (longitud,
diámetro, ubicación, forma, etc.) deben ser interpretadas, evaluadas y reportadas.
No relevantes.- Son aquellas que por sus características se interpretan pero no
se evalúan, y que deberían ser registradas.
Lineales.- Son aquellas con una longitud mayor que tres veces su ancho.
Redondas.- Son aquellas de forma elíptica o circular que tienen una longitud igual
Defecto
Es una o más discontinuidades o fallas, cuyo tamaño agregado, forma, orientación, localización o propiedades no cumple con un criterio de aceptación especificado y que es rechazada.
También puede definirse como una discontinuidad que excede los criterios de aceptación establecidos, o que podría generar que el material o equipo falle cuando sea puesto en servicio o durante su funcionamiento.
Indicación
Es la respuesta o evidencia de una respuesta, que se obtiene al aplicar alguna Prueba no Destructiva.
Se clasifican en tres tipos:
z Indicaciones falsas: Una indicación que se interpreta como que ha sido producida
por otra causa que no sea una discontinuidad. Se presentan normalmente por la aplicación incorrecta de la prueba.
z Indicaciones no relevantes: Una indicación que se produce por una condición o
tipo de discontinuidad que no es rechazada. Son creadas normalmente por el acabado superficial o la configuración del material.
z Indicaciones verdaderas: Una indicación que se produce por una condición o tipo
de discontinuidad que requiere evaluación. Son aquellas producidas por discontinuidades.
Al aplicar una prueba no destructiva los técnicos observan indicaciones, por lo que deben determinar cuales son producidas por discontinuidades.
iv. Clasificación de las Pruebas no Destructivas
La clasificación de las pruebas no destructivas se basa en la posición en donde se ubican las discontinuidades que pueden ser detectadas, por lo que se clasifican en: 1. Pruebas no destructivas superficiales.
2. Pruebas no destructivas volumétricas. 3. Pruebas no destructivas de hermeticidad.
1. Pruebas no destructivas superficiales
Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad superficial de los materiales inspeccionados. Los métodos de PND superficiales son:
VT – Inspección Visual PT – Líquidos Penetrantes
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MT – Partículas Magnéticas ET – Electromagnetismo
En el caso de utilizar VT y PT se tiene la limitante para detectar únicamente discontinuidades superficiales (abiertas a la superficie); y con MT y ET se tiene la posibilidad de detectar tanto discontinuidades superficiales como sub-superficiales (las que se encuentran debajo de la superficie pero muy cercanas a ella).
2. Pruebas no destructivas volumétricas
Estas pruebas proporcionan información acerca de la sanidad interna de los materiales inspeccionados. Los métodos de PND volumétricos son:
RT – Radiografía Industrial UT – Ultrasonido Industrial AE – Emisión Acústica
Estos métodos permiten la detección de discontinuidades internas y sub-superficiales, así como bajo ciertas condiciones, la detección de discontinuidades superficiales.
3. Pruebas no destructivas de hermeticidad
Estas pruebas proporcionan información del grado en que pueden ser contenidos los fluidos en recipientes, sin que escapen a la atmósfera o queden fuera de control. Los métodos de PND de hermeticidad son:
LT – Pruebas de Fuga
– Pruebas por Cambio de Presión (Neumática o hidrostática). – Pruebas de Burbuja
– Pruebas por Espectrómetro de Masas
– Pruebas de Fuga con Rastreadores de Halógeno
v. Razones para el uso de PND
Además de la detección y evaluación de discontinuidades, las PND son usadas para:
z La medición de dimensiones z Detectar fuga y su evaluación
z Determinar localización y su evaluación z Caracterizar estructura o micro-estructura z Estimación de propiedades mecánicas y físicas z Identificar o separar materiales
z Uniformidad en la producción z Ahorro en los costos de producción z Eliminar materia prima defectuosa z Mejoras en los sistemas de producción
z Asegurar la calidad en el funcionamiento de sistemas en servicio, en plantas o
diversos tipos de instalaciones, y prevenir la falla prematura durante el servicio
z Diagnóstico después de la falla para determinar las razones de la misma.
vi. Factores para la selección de las PND
Se considera que existen seis factores básicos involucrados en la selección de las PND
z Las razones para efectuar la PND
z Los tipos de discontinuidades que son de interés en el objeto
z El tamaño y la orientación de las discontinuidades que se necesitan detectar z La localización o ubicación de las discontinuidades que son de interés
z El tamaño y la forma del objeto a inspeccionar
z Las características del material que va a ser inspeccionado
vii. Calificación y certificación del personal de PND
Para aplicar las pruebas no destructivas se requiere:
z La calificación del método de inspección utilizado.– Las PND deben llevarse a
cabo de acuerdo con procedimientos escritos, que en ciertos casos deben ser previamente calificados.
z La calificación del personal que realiza la inspección.– Se considera que el éxito
de cualquier prueba no destructiva es afectado “principalmente por el personal que
realiza, interpreta y/o evalúa los resultados de la inspección”. Por esto, los
técnicos que ejecutan las PND deben estar calificados y certificados.
z La administración del proceso de calificación y del personal para asegurar
resultados consistentes.– Actualmente existen dos programas aceptados para la calificación y certificación del personal que realiza PND, además de uno nacional. Estos programas son:
– La Practica Recomendada SNT-TC-1A, editada por ASNT, – La Norma ISO-9712, editada por ISO, y
– La Norma Mexicana NOM-B-482.
SNT-TC-1A
Es una Práctica Recomendada que proporciona los lineamientos para el programa de calificación y certificación del personal de PND de una empresa. Es editada por ASNT.
ASNT
American Society For Nondestructive Testing (Sociedad Americana de Ensayos No Destructivos).
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ISO 9712
Es una Norma Internacional que establece un sistema para calificar y certificar, por medio de una agencia central nacional, el personal que realiza PND en la industria.
ISO
International Organization for Standarization (Organización Internacional para Normalización).
Calificación
Es el cumplimiento documentado de requisitos de: escolaridad, entrenamiento, experiencia y exámenes (teóricos, prácticos y físicos); establecidos en un programa escrito, el cual puede ser un procedimiento interno de la empresa, de acuerdo con SNT-TC-1A, o una norma nacional, de acuerdo con ISO-9712.
El documento SNT-TC-1A considera que la empresa debe establecer un procedimiento o práctica escrita, para el control y administración del entrenamiento, exámenes y certificación del personal de PND.
La práctica o procedimiento escrito de la empresa debe describir la responsabilidad de cada nivel de certificación para determinar la aceptación de materiales o componentes de acuerdo con códigos, estándares, especificaciones y procedimientos aplicables. Además, debe describir los requisitos de entrenamiento, experiencia y exámenes para cada método y nivel de certificación.
La práctica escrita debe ser revisada y aprobada por el Nivel III en PND de la empresa, la cual debe mantenerse archivada.
Existen tres niveles básicos de calificación, los cuales pueden ser subdivididos por la empresa o el país para situaciones en las que se necesiten niveles adicionales para trabajos y responsabilidades específicas.
Niveles de Calificación Nivel I
Es el individuo calificado para efectuar calibraciones específicas, para efectuar PND específicas, para realizar evaluaciones específicas para la aceptación o rechazo de materiales de acuerdo con instrucciones escritas, y para realizar el registro de resultados.
El personal Nivel I debe recibir la instrucción o supervisión necesaria de un individuo certificado como nivel III o su designado.
Nivel II
Es el individuo calificado para ajustar y calibrar el equipo y para interpretar y evaluar los resultados de prueba con respecto a códigos, normas y especificaciones.
El nivel II, esta familiarizado con los alcances y limitaciones del método y puede tener la responsabilidad asignada del entrenamiento en el lugar de trabajo de los niveles I y aprendices. Es capaz de preparar instrucciones escritas y organizar y reportar los resultados de prueba.
Nivel III
Es el individuo calificado para ser el responsable de establecer técnicas y procedimientos; interpretar códigos, normas y especificaciones para establecer el método de prueba y técnica a utilizarse para satisfacer los requisitos; debe tener respaldo práctico en tecnología de materiales y procesos de manufactura y estar familiarizado con métodos de PND comúnmente empleados; es responsable del entrenamiento y exámenes de niveles I y II para su calificación.
Entrenamiento (capacitación)
Es el programa estructurado para proporcionar conocimientos teóricos y desarrollar habilidades prácticas en un individuo a fin de que realice una actividad definida de inspección.
Experiencia Práctica
No se puede certificar personal que no tenga experiencia práctica en la aplicación de PND, por lo que:
z El técnico Nivel I: Debe adquirir experiencia como aprendiz. z El técnico Nivel II: Debe trabajar durante un tiempo como nivel I.
z El técnico Nivel III: Debió ser aprendiz, nivel I y haber trabajado al menos uno o
dos años como nivel II.
Esta experiencia debe demostrarse con documentos, que deben mantenerse en expedientes o archivos para su verificación.
Exámenes Físicos
Tienen la finalidad de demostrar que el personal que realiza las PND es apto para observar adecuada y correctamente las indicaciones obtenidas.
Los exámenes que se requieren son:
z Agudeza visual lejana, o z Agudeza visual cercana, y z Discriminación cromática.
Para los exámenes de agudeza visual el técnico debe ser capaz de: leer un tipo y tamaño de letra específicos a una cierta distancia, este examen debe ser anual; y debe ser capaz de distinguir y diferenciar los colores usados en el método en el cual será certificado, este examen debe ser cada tres años.
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Exámenes
Los exámenes administrados para calificación de personal nivel I y II consisten de: un examen general, un especifico y un práctico. De acuerdo con SNT-TC-1A, la calificación mínima aprobatoria, de cada examen, es de 70% y, además, el promedio simple mínimo de la calificación de los tres exámenes es de 80%.
Certificación
La certificación es el testimonio escrito de la calificación. La certificación del personal de PND de todos los niveles es responsabilidad de la empresa que los contrata (de acuerdo con SNT-TC-1A) o de la agencia central (de acuerdo con ISO-9712), y debe basarse en la demostración satisfactoria de los requisitos de calificación.
El documento SNT-TC-1A recomienda contar con registros de certificación del personal, los cuales deben mantenerse archivados por la empresa durante el tiempo especificado en el procedimiento escrito de la empresa, y deberían incluir lo siguiente:
1. Nombre del individuo certificado.
2. Nivel de certificación y el método de PND.
3. Educación y el tiempo de experiencia del individuo certificado.
4. Establecer que se ha cumplido satisfactorio con el entrenamiento, de acuerdo con los requisitos de la práctica escrita de la empresa.
5. Resultados de los exámenes de la vista para el periodo de certificación vigente. 6. Copias de los exámenes o evidencia del cumplimiento satisfactorio de los mismos. 7. Otras evidencias adecuadas de calificaciones satisfactorias, cuando tales
calificaciones sean usadas para la exención del examen específico como se describa en la práctica escrita del empleador.
8. Calificación compuesta o evidencia adecuada de las calificaciones.
9. Firma del Nivel III que verifica la calificación del candidato para su certificación. 10. Fecha de certificación y / o re-certificación, y la fecha de asignación a PND. 11. Fecha en la que expira la certificación.
12. Firma de la autoridad certificadora de la empresa.
La certificación tiene validez temporal únicamente. ISO y ASNT establecen un periodo de vigencia de la certificación de:
z Tres años para los niveles I y II. z Cinco años para los niveles III.
Todo el personal de PND debe ser re-certificado, de acuerdo con SNT-TC-1A basándose en uno de los siguientes criterios:
z Evidencia de continuidad laboral satisfactoria en Pruebas no Destructivas. z Reexaminación.
CAPÍTULO UNO: PRINCIPIOS DE PARTÍCULAS MAGNÉTICAS
I
i. Principios básicos
El principio físico en el que se basa el método de inspección por partículas magnéticas es el “Magnetismo”. El principio se basa en el comportamiento de los imanes.
Magnetismo es: “La fuerza invisible que tiene la habilidad de desarrollar trabajo
mecánico de atracción y repulsión de materiales magnetizables”.
La inspección por partículas magnéticas es un ensayo no destructivo que se emplea para detectar discontinuidades superficiales y subsuperficiales, en muestras que pueden ser magnetizadas.
Consta de tres operaciones básicas:
a) Establecer un flujo magnético adecuado, b) Aplicación de las partículas magnéticas, y c) Interpretación y evaluación de los resultados.
ii. Antecedentes históricos
En 1868 un Ingeniero Inglés publicó un reporte, en el cual se mencionaba la localización de discontinuidades presentes en el cañón de una pistola utilizando un compás magnético, en el que se registro un cierto flujo.
En el siglo XX, en 1922, el Físico Ingles William E. Hoke observó que partículas metálicas que se encontraban sobre piezas de acero endurecido conectadas a tierra, sobre un mandril magnético, formaban patrones sobre la cara de la pieza, estos frecuentemente correspondían a sitios en donde se localizaban grietas en la superficie. Esta observación marcó el nacimiento de la inspección por partículas magnéticas.
iii. Aplicaciones
El método de inspección por partículas magnéticas es utilizado en diferentes ramas de la industria, como: metalmecánica, aeronáutica, naval, construcción, etc.
Se aplica en:
z Inspección de materia prima; z Inspección en proceso;
z Inspección de producto terminado; z Mantenimiento de equipo y maquinaria.
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iv. Ventajas
Las principales ventajas del método de inspección por partículas magnéticas son:
z Inspección relativamente rápida y de bajo costo,
z Equipo relativamente simple, provisto de controles utilizados para ajustar la
corriente y un amperímetro visible para verificar la fuerza de magnetización que ha sido creada para la inspección,
z Equipo portátil y adaptable a muestras pequeñas o grandes, z Se requiere menor limpieza que en líquidos penetrantes, z Se pueden detectar discontinuidades subsuperficiales,
z Las indicaciones se forman directamente en la superficie de la muestra,
z No se requiere de lecturas electrónicas de calibración o mantenimiento excesivo, z Se obtienen mejores resultados en la detección de discontinuidades llenas de
algún contaminante (como carbón, escoria, etc.) y que no pueden ser detectadas en una inspección por líquidos penetrantes.
v. Limitaciones
Las limitaciones del método de inspección por partículas magnéticas son:
z Es aplicable solamente en materiales ferromagnéticos, z Se requiere un suministro de corriente eléctrica,
z No se pueden detectar discontinuidades localizadas a grandes profundidades, z La detección de una discontinuidad depende de varios factores,
z Su aplicación en el campo es de mayor costo, ya que se necesita suministro de
energía eléctrica,
z La rugosidad superficial puede distorsionar el campo, z Se requiere de dos o más magnetizaciones,
z Generalmente, es necesario desmagnetizar después de la inspección,
z Se pueden generar quemadas en la superficie, al aplicar la técnica de puntas de
contacto.
z Aunque las indicaciones son fácilmente observables, la experiencia para su
interpretación y evaluación es necesaria,
z Capas de pintura o de algún otro recubrimiento no magnético afectan la
sensibilidad del método.
vi. Teoría de los campos magnéticos 1. Campo magnético de la Tierra
Si consideramos a la tierra como un imán gigante, ya que tiene un polo norte y un polo sur, la aguja de una brújula normal, la cual es simplemente una manecilla de acero magnetizada y suspendida en un eje libre para girar, es atraída por el campo magnético de la tierra, siempre indicando la misma dirección, figura No. 1.
Al estar magnetizada, la aguja de la brújula es atraída por los polos de la tierra y siempre apuntará hacia el polo norte, independientemente del lugar en donde se encuentre.
Como se puede observar en la figura No. 2, la aguja de la brújula es un imán pequeñito y el polo sur del imán es atraído hacia el polo norte de la Tierra.
Igual que la tierra tiene un polo norte y un polo sur, cada imán tiene, al menos, un polo norte y un polo sur.
Figura No. 1: Campo magnético de la Tierra
S
N
Figura No. 2: Aguja de una brújula atraída hacia el polo norte de la Tierra
2. Imantación de un material ferromagnético
Los materiales ferromagnéticos están constituidos por grupos de átomos en regiones microscópicas llamados “Dominios magnéticos”. Estos dominios en sí son pequeños imanes dentro de la pieza, tienen una polaridad positiva y una negativa en sus extremos opuestos.
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Si el material no está magnetizado, tales dominios están orientados al azar, normalmente paralelos con los ejes de los cristales del material, y la componente magnética es nula, como se ilustra en la figura No. 3.
Cuando el material es sujeto a un campo magnético, los dominios se orientan o alinean paralelamente con el campo magnético externo, produciendo así un imán. Una vez que los dominios han sido orientados, como se muestra en la figura No. 4, el material ferromagnético se ha convertido en un imán, con un polo norte y un polo sur.
Figura No. 3: Dominios magnéticos en un material sin magnetizar
Figura No. 4: Dominios magnéticos en un material magnetizado
Con los dominios orientados, el material ferromagnético desarrolla una fuerza total que es igual a la suma de la fuerza de todos los dominios. Ésta fuerza total es conocida como “Flujo Magnético”.
El flujo magnético es representado por las “líneas de fuerza magnética”, como se ilustra en la figura No. 5.
Las líneas de fuerza magnética describen y definen la dirección de un flujo magnético, además, cuentan con una cantidad de propiedades importantes:
1. Tienen una dirección definida, salen por el polo norte, entran por el polo sur y continúan así su camino a través del imán, desde el polo sur al polo norte,
2. Son continuas y siempre forman una curva o circuito cerrado,
3. Las líneas de fuerza magnética, son individuales y jamás se cruzan ni unen entre ellas,
4. Su densidad disminuye con el aumento de distancia desde los polos, y 5. Siguen caminos de menor resistencia magnética.
El espacio dentro y alrededor de un imán, en el cual actúan las líneas de fuerza, se conoce como “Campo Magnético”.
Figura No. 5: Líneas de fuerza y campo magnético en un imán de barra
3. Polos magnéticos
Un imán tiene la propiedad de atraer materiales ferromagnéticos. Esta habilidad de atraer o repeler no es uniforme sobre toda la superficie del imán, se localiza únicamente en las áreas conocidas como “polos”.
Consideremos la presencia de las líneas de fuerza en los imanes. El flujo magnético, o las líneas de fuerza, entran o abandonan el imán por los polos magnéticos.
Por lo que, un imán podrá atraer materiales ferromagnéticos, solamente donde las líneas de fuerza salen o entren al imán, es decir, donde se encuentren localizados los polos magnéticos.
La figura No. 6 ilustra un imán de la forma más común, el imán de herradura, y sus polos magnéticos.
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S N
Figura No. 6: Imán de forma de herradura
4. Ley del magnetismo
Dos imanes que se colocan de tal manera que el polo sur de uno se orienta hacia el polo norte del otro, entonces son atraídos entre sí, como se observa en la figura No. 7. Entonces, las leyes del magnetismo de atracción y repulsión para imanes, son las siguientes:
z Polos magnéticos diferentes se atraen (N> <S / S> <N) z Polos magnéticos semejantes se repelen (N< >N / S< >S)
Repulsión Atracción
S N
S N N S N S
Figura No. 7: Leyes del magnetismo
5 Unidades de medición
El término “flujo magnético” es usado cuando se refiere a todas las líneas de fuerza en un área dada. La unidad de flujo magnético originalmente fue llamada “Maxwell”, siendo un Maxwell equivalente a una línea de fuerza.
De acuerdo con el Sistema Internacional de Unidades, el flujo magnético se mide usando el “Weber” (Wb), siendo un Weber igual a 108 líneas de fuerza.
El flujo magnético por unidad de área se llama “densidad de flujo”, por lo cual se puede definir como “el número de líneas de fuerza que pasan transversalmente a través de
una unidad de área”.
La unidad de densidad de flujo era el “Gauss”, siendo un Gauss igual a un Maxwell por centímetro cuadrado. La nueva unidad del Sistema Internacional para la densidad de flujo es el “Tesla” (T), siendo un Tesla igual a un Weber por metro cuadrado.
La densidad de flujo es expresada matemáticamente como se indica a continuación:
B = φ / A
Donde: B = Densidad de flujo, en Wb/m2 (1 Wb/m2 = 1 Tesla) (1 Tesla = 10,000 Gauss, ó 1 Gauss = 10-4 Tesla)
φ = Flujo magnético, en Weber (Wb)(1 Wb = 108 líneas de fuerza)
A = Área perpendicular al flujo magnético, en m2
6 Tipos de materiales magnéticos
Los principios de aplicación de las pruebas por partículas magnéticas dependen del establecimiento de un campo magnético dentro de una pieza de prueba, por lo tanto, la pieza que será inspeccionada deberá estar fabricada de un material que pueda ser fuertemente magnetizado.
Se puede considerar que todos los materiales tienen propiedades magnéticas, que son afectados en algún grado por los campos magnéticos. Sin embargo, la influencia de un campo magnético puede variar ampliamente en diferentes materiales, en otras palabras, son permeables aunque sea en alguna pequeña cantidad.
La “permeabilidad magnética” (µ) de un material se define como “la facilidad con la cual
los materiales pueden ser magnetizados”.
El recíproco de la permeabilidad magnética es la “reluctancia”, definida como “la
resistencia de un material a una fuerza de magnetización”, en otras palabras,
podríamos decir que es la dificultad para magnetizar un material.
Las propiedades magnéticas varían ampliamente entre los materiales. Estas propiedades son afectadas por la composición química, la micro estructura y el tamaño de grano.
La influencia que tiene un campo magnético sobre los materiales proporciona un medio para su clasificación en diferentes grupos:
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Materiales paramagnéticos
En general, los materiales que son atraídos por campos magnéticos son llamados “paramagnéticos”.
z Materiales no ferrosos (no magnéticos)
Cuentan con una permeabilidad ligeramente mayor que la del aire (1), por lo que no pueden ser magnetizados fuertemente. Algunos materiales no magnéticos son: aluminio, platino, magnesio, molibdeno, litio, cromo, estaño y algunos aceros inoxidables.
z Materiales ferrosos (ferromagnéticos)
Tienen una permeabilidad que es mucho mayor que la del aire. Los materiales ferrosos son los más fuertemente afectados por el magnetismo debido a que el hierro puede ser fácilmente magnetizado, y éstos materiales son llamados “ferromagnéticos”.
Los materiales ferromagnéticos tienen las siguientes características:
z Son fuertemente atraídos por campos magnéticos,
z Son fácilmente magnetizados ya que el valor de su permeabilidad es mayor de
100, y
z Son capaces de retener cierta cantidad de magnetismo.
Los materiales ferromagnéticos son el hierro, acero, níquel y cobalto, y muchas de sus aleaciones.
Materiales diamagnéticos
Pocos materiales son ligeramente repelidos por campos magnéticos, dichos materiales son conocidos como diamagnéticos. Son materiales que no pueden ser magnetizados debido a que el valor de su permeabilidad es menor a 1. Algunos materiales diamagnéticos son el bismuto, mercurio, oro, plata, zinc y otros.
7 Fuentes de magnetismo
Imanes permanentes
Los imanes permanentes son producidos por el tratamiento térmico de aleaciones, especialmente formuladas, dentro de un campo magnético fuerte. Durante el tratamiento térmico los dominios magnéticos son alineados y permanecen así después de remover el campo magnético externo.
Son esenciales para la tecnología moderna, y se incluyen en aplicaciones tales como magnetos, motores, teléfonos, bocinas y muchos instrumentos eléctricos.
Los ejemplos más comunes de utilizados para la fabricación de imanes permanentes incluyen aleaciones de aluminio, níquel y cobalto (alnico); cobre, níquel y cobalto (cunico); cobre, hierro y níquel (cunife); y cobalto y molibdeno (comol).
Campo magnético de la Tierra
El Planeta Tierra es, por él mismo, un enorme imán, con un polo norte y un polo sur ligeramente desplazados de su eje; este desplazamiento resulta en una ligera desviación entre el norte geográfico y el norte magnético.
Como en un imán, la Tierra es circundada por líneas de fuerza, llamadas en ocasiones
“campo terrestre”, las cuales pueden causar problemas en la magnetización y
desmagnetización de objetos ferromagnéticos. El campo terrestre es reducido, y se encuentra en el orden de 0.03 mT (0.3 Gauss).
El movimiento de objetos ferromagnéticos a través del “campo terrestre” puede inducir una ligera magnetización. Esto puede ser un problema en los aviones, cuando algunos componentes magnetizados puedan afectar los compases usados en la navegación. De la misma forma, la desmagnetización puede ser difícil si ciertos objetos, usualmente flechas, no se orientan en dirección este-oeste durante el proceso de desmagnetización.
Magnetismo mecánico inducido
El trabajo en frío de algunos materiales ferromagnéticos, por operaciones de conformado o durante el servicio, puede magnetizar los objetos. Cuando se ha inducido magnetización mecánicamente, podría ser necesario aplicar el proceso de desmagnetización a un objeto.
La desmagnetización de objetos magnetizados mecánicamente puede ser complicada. Cuando los objetos se encuentran cerca de componentes ferromagnéticos. Desensamblar es normalmente impráctico por lo que se debe utilizar yugos portátiles o cables para habilitar una bobina y, además, al desmagnetizar pueden magnetizarse los objetos adyacentes por lo que deben realizarse operaciones secuenciales de desmagnetización.
Electroimanes
Los campos magnéticos son generados dentro y alrededor de conductores eléctricos en los que fluye corriente eléctrica.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
CAPÍTULO DOS: CARACTERÍSTICAS DE CAMPOS MAGNÉTICOS
II
i. Imanes tipo barra
Si enderezamos un imán de herradura, tendríamos como resultado un imán tipo barra, como se ilustra en la figura No. 8.
S
N
N
S
Figura No. 8: Imán tipo barra
El imán de barra tiene las mismas características que el imán de herradura.
ii. Imanes tipo anillo
Si al imán de herradura lo doblamos y sus extremos los cerramos, formando casi un círculo cerrado, este se comporta de manera idéntica al imán de herradura. Los polos magnéticos aún existen y las líneas de fuerza salen y entran por los polos, como se observa en la figura No. 9.
S
N
Cuando los extremos del imán son doblados y fundidos para formar un anillo, en lugar de tener un imán circular abierto, se tendrá un imán circular cerrado, como ilustra la figura No. 10.
Las líneas de fuerza existen pero quedan contenidas completamente dentro del anillo, ya que no existen polos magnéticos, por lo tanto, este imán no atrae materiales ferromagnéticos.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
CAPÍTULO TRES: EFECTOS DE DISCONTINUIDADES EN MATERIALES
III
i. Discontinuidades superficiales
Supongamos que el imán tipo anillo completo tiene una grieta en la superficie externa, creándose inmediatamente un polo norte y un polo sur en los bordes de la discontinuidad. Ésta grieta interrumpe el flujo uniforme de las líneas de fuerza dentro del imán, por lo que algunas de ellas se verán forzadas a salir del imán. Las líneas de fuerza que se ven forzadas a salir del imán, ver figura No. 11, como resultado de la grieta, se conocen como “fugas de flujo”. El campo magnético creado por las fugas de flujo es llamado “campo de fuga”.
Partículas magnéticas
Figura No. 11: Fugas de flujo en una grieta
Por lo tanto, si se espolvorean partículas magnéticas sobre el citado imán, éstas serán atraídas por los polos creados por la grieta, produciendo una indicación, por la concentración de partículas en la zona de la grieta.
Una grieta en el imán de barra producirá un efecto similar, por lo que también causará fugas de flujo, como se observa en la figura No. 12.
S N
N S
N S
Las líneas de fuerza en el fondo de la grieta tienden a seguir el camino de menor resistencia magnética y permanecen en el imán. Aquellas líneas de fuerza que saltan por encima y a través de la grieta, causan fugas de flujo (campos de fuga), debido a la formación de polos norte y sur originados por la grieta.
Si ahora, también consideramos un imán de barra con un corte en el centro, ver figura No. 13, también se tendrán fugas de flujo.
S N
N S
Figura No. 12: Ranura en un imán de barra
El imán con el corte en el centro se comporta de la misma forma que el imán de barra con la grieta. En cualquier imán, los materiales como el hierro y el acero serán atraídos hacia sus polos magnéticos.
Cuando se detecta una discontinuidad abierta a la superficie, tal como una grieta, se forman indicaciones angostas y bien definidas.
ii. Superficies onduladas
Si ahora observamos una irregularidad superficial, tal como una superficie ondulada, como muestra la figura No.14, en la zona de la superficie irregular ondulada, las líneas de fuerza permanecen dentro del imán.
Como ya se mencionó, las líneas de fuerza tienden a seguir el camino de menor resistencia magnética, por lo cual permanecen dentro del imán. Como resultado, no se crean polos magnéticos por lo que no existen fugas de flujo.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
iii. Discontinuidades subsuperficiales
Supongamos ahora que tenemos otro imán, que contiene una grieta subsuperficial. Con ésta grieta subsuperficial algunas de las líneas de fuerza pasan por encima y por debajo de ella. Algunas pasan a través de la grieta y, si la discontinuidad esta cerca de la superficie, algunas son forzadas a salir a la superficie, provocando fugas de flujo, como ilustra la figura No. 15. Si espolvoreamos partículas magnéticas, se producirá una acumulación de partículas donde se encuentran las fugas de flujo.
N S
Figura No. 15: Discontinuidad subsuperficial
Cuando se detecta una discontinuidad subsuperficial normalmente se forman indicaciones anchas y difusas. El tamaño y la intensidad de la indicación dependen de: la proximidad de la discontinuidad con la superficie, el tamaño y orientación de la discontinuidad, la intensidad y distribución del flujo magnético.
iv. Fuerza de un campo de fuga
La distorsión o fuerza de un campo de fuga, producido por una discontinuidad, depende de varios factores indicados a continuación:
1.- El número de las líneas de fuerza; éste factor es afectado por varias características de la propia discontinuidad:
a) El ancho de la discontinuidad (la distancia entre sus polos); b) La longitud de la discontinuidad;
c) La profundidad de la discontinuidad; d) La forma de la discontinuidad;
e) La orientación de la discontinuidad. La discontinuidad debe estar orientada a 90°, y hasta 45°, con respecto a la dirección del flujo magnético.
2.- La condición de la superficie.
3.- La fuerza del flujo magnético generado, el cual es controlado por el amperaje utilizado para generar el campo magnético.
La fuerza del campo de fuga determina directamente el número de partículas magnéticas que pueden ser atraídas para formar una indicación.
v. Formación de indicaciones
Cuando las partículas magnéticas son atraídas al sitio donde se localiza una fuga de flujo, ellas producen una indicación que es visible para el ojo humano, bajo condiciones de iluminación adecuada. La formación de las indicaciones depende de las características de las líneas de fuerza.
Cuando las partículas son atraídas hacia las fugas de flujo y se acercan a los polos magnéticos, más líneas de flujo fluyen hacia ellas. Esto concentra las líneas de flujo a través de los caminos de baja reluctancia que forman las partículas de material ferromagnético. Esta es la acción principal que provoca que las partículas sean recolectadas por las fugas de flujo y subsecuentemente formen indicaciones de discontinuidades.
Ya que las partículas magnéticas son solamente atraídas y se mantienen donde las líneas de fuerza salen y entran de la superficie de la pieza inspeccionada, no se producen indicaciones verdaderas a menos que las líneas de fuerza crucen una discontinuidad.
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CAPÍTULO CUATRO: MAGNETIZACIÓN CON CORRIENTE ELÉCTRICA
IV
i. Campo circular
1. Campo alrededor de un conductor
Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, se crea un campo magnético circular, como se muestra en la figura No. 16.
El campo magnético alrededor de un conductor existe a todo lo largo del conductor por el que fluye corriente eléctrica. Cuando el conductor tiene una configuración uniforme, la densidad de flujo o número de líneas de fuerza por unidad de área, es uniforme a lo largo del conductor y es directamente proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica, y disminuye con el incremento de distancia desde el conductor.
Variando la intensidad de la corriente eléctrica en el conductor, el número de líneas de fuerza variará en el campo magnético. Al incrementar la fuerza de magnetización (la intensidad de la corriente eléctrica) se incrementa el número de las líneas de fuerza, resultando en un incremento de la densidad del campo magnético. Y en el caso contrario, al reducir la fuerza de magnetización se reduce la densidad del campo magnético.
Campo magnético
Corriente eléctrica
Figura No. 16: Campo magnético alrededor de un conductor
La magnetización circular utiliza los principios del establecimiento de un campo magnético por inducción. Debido a que el cobre y el aluminio son materiales no magnéticos, las líneas de fuerza no permanecerán en el material. En su lugar, el campo magnético se establece alrededor del material.
Una característica de los campos magnéticos circulares es que las líneas de fuerza forman circuitos completos sin que existan polos magnéticos.
2. Regla de la mano derecha
La forma más sencilla para determinar la dirección de las líneas de fuerza, alrededor de un conductor recto en el que fluye corriente eléctrica y en cual se conoce el sentido del flujo de corriente, es la regla de la mano derecha, ver la figura No. 17.
Corriente Eléctrica Campo
Magnético
Figura No. 17: Regla de la mano derecha
Esta ayuda simple requiere imaginar que el conductor se empuña con la mano derecha, con el dedo pulgar apuntando en la dirección del flujo de corriente eléctrica (de positivo a negativo) y los dedos restantes, cerrados alrededor del conductor, estarán indicando la dirección y el sentido en los que fluyen las líneas de fuerza.
Raramente es de importancia práctica el sentido actual del campo magnético, lo más importante del concepto es que la dirección del campo magnético tiene una relación perpendicular con la dirección del flujo de corriente.
La regla de la mano derecha funciona idénticamente para materiales magnéticos y no magnéticos. La única diferencia entre los dos, es que el campo magnético se forma fuera del material no magnético, y en el material magnético el campo permanece en su interior.
3. Magnetización circular inducida en materiales
Cuando fluye una corriente eléctrica a través de un material ferromagnético, el campo magnético se establece dentro del material. Las líneas de fuerza permanecen dentro de él, porque es permeable y las conduce fácilmente. También en este caso el campo magnético se encuentra a 90° con respecto a la dirección del flujo de corriente eléctrica. En la práctica, la magnetización circular se realiza de dos formas:
a) Pasando corriente eléctrica directamente a través de la pieza
z Piezas largas cilíndricas sólidas
Por ejemplo, en la inspección de una barra de material ferromagnético, se conoce como magnetización entre cabezales y produce un campo magnético circular, como se ilustra en la figura No. 18.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
Campo magnético
(+) (-)
Corriente Eléctrica
Figura No. 18: Inspección de una barra sólida
Cuando una barra es magnetizada entre cabezales, el campo magnético es más fuerte cerca de la superficie de la barra. El campo se incrementa desde cero, en el centro de la barra, hasta un máximo en la superficie.
La figura No. 19 muestra la distribución gráfica del campo magnético generado en una barra de acero redonda. La intensidad o fuerza del campo magnético es referida, a menudo, como la densidad de flujo.
Conductor ferromagnético por el que fluye corriente alterna
F1
R 2R 3R
F1 = Campo en la superficie del conductor R = Radio del conductor
Fuerza del Campo
Figura No. 19: Distribución del campo magnético
En la gráfica anterior se puede observar que la intensidad del campo (fuerza), es cero en el centro de la barra. La densidad de flujo se incrementa gradualmente hasta alcanzar su máximo valor (F1) en la superficie de la barra. También, se puede observar que inmediatamente fuera de la superficie de la barra, la fuerza del campo decrece rápidamente. La mayor pérdida es inmediata y el remanente es imperceptible.
z Piezas de forma irregular
Si consideramos una barra de acero cuadrada, cuando circula una corriente a través de ella, en su interior será establecido un campo magnético circular, ver la figura No. 20.
Figura No. 20: Barra cuadrada
b) Pasando corriente eléctrica a través de un conductor central
z Piezas tubulares
Cuando se inspeccionan tubos pasando corriente eléctrica a través de ellos, el flujo magnético se eleva hacia la superficie externa, con un flujo casi imperceptible en la superficie interna. Pero, la superficie interna puede ser tan importante como la superficie externa para detectar discontinuidades.
Con un campo magnético creado alrededor de un conductor, es posible inducir un campo satisfactorio en un tubo, tanto en la superficie externa como en la superficie interna.
Recordemos que en un conductor en el que fluye una corriente eléctrica se crea un campo magnético en su alrededor, con las líneas de fuerza que giran alrededor del conductor, y lo hacen en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Esta forma de inspección se lleva a cabo insertando una barra de cobre, o de algún otro material conductor, a través del componente y pasando la corriente eléctrica a través de la barra, ver la figura No. 21.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
Conductor central Campo magnético
(+) (-)
Figura No. 21: Conductor central en la inspección de un tubo
Alrededor del conductor central se crea un campo magnético circular que se induce en la pieza. Debido a que la densidad de flujo es máxima en la superficie del conductor, el campo magnético inducido en la pieza será el máximo. Utilizando el conductor central, se establecerá el flujo magnético en las superficies interna y externa de la pieza. La densidad de flujo es máxima en la superficie interna y dependiendo del espesor de pared, algo menor en la superficie externa como se ilustra en la figura No. 22.
F2
F1
R 2R 3R
F1 = Campo en la superficie del conductor F2 = Campo en la superficie interna de la pieza
Fuerza del Campo
Figura No. 22: Conductor central en la inspección de un tubo
4. Métodos de magnetización circular
La magnetización circular induce un campo magnético dentro de las piezas en tres formas:
z Por inducción directa, que se conoce como magnetización entre cabezales, z Inducción directa por medio de electrodos,
a) Magnetización entre cabezales (por placas de contacto)
En este método de magnetización las placas de contacto introducen la corriente en la pieza inspeccionada, como a un conductor, y se crea un campo circular a su alrededor, ver la figura No. 23.
La inspección debe ser realizada de tal manera que las superficies de la pieza no sean dañadas físicamente por la presión ejercida, o bien, por el calor producido por un arco eléctrico o alta resistencia en los puntos de contacto. Para asegurar que la resistencia al paso de corriente sea lo más baja posible y evitar quemadas en la superficie de la pieza, los puntos de contacto deben ser lo más grandes posible.
La magnitud de la corriente utilizada depende de las dimensiones transversales (el diámetro) de la pieza. Campo magnético Cabezal Cabezal fijo móvil Discontinuidad (+) (-) Corriente Eléctrica
Figura No. 23: Magnetización entre cabezales
b) Electrodos (puntas de contacto)
Los electrodos, o puntas de contacto, son conductores de corriente, los cuales se utilizan para magnetizar áreas localizadas.
Las puntas usadas son típicamente barras de cobre de 3/4” de diámetro y de 6” a 8” de longitud, montadas en soportes o manerales individuales o duales, como se observa en las figuras No. 24 y 25, y pueden contar con puntas de contacto de cobre o aluminio intercambiables, y un interruptor integrado.
Debe tenerse mucha precaución debido a la posibilidad de producir quemaduras por arco en las piezas inspeccionadas, específicamente en los puntos de contacto, por lo cual las puntas de contacto deben mantenerse limpias. Con esta técnica se produce un campo circular alrededor de las puntas.
Partículas Magnéticas Nivel I y II Puntas de contacto (-) (+) Discontinuidad Campo magnético
Figura No. 24: Puntas de contacto con manerales individuales
(-) (+)
Figura No. 25: Puntas de contacto con manerales duales o dobles
Existen algunas variables de la técnica para su aplicación: utilizando imanes o pinzas. Las puntas se conectan a la fuente de corriente mediante cables que normalmente son flexibles de calibre 00 con cubierta de hule. Hasta donde sea práctico, los cables deben ser lo más cortos posible.
La magnitud de la corriente utilizada depende del espesor de la pieza inspeccionada y de la separación entre las puntas.
Se considera que la magnetización es más efectiva cuando las puntas están separadas de 15 a 20 cm (6 a 8 pulgadas), pero pueden usarse con separaciones de 7.6 a 20 cm (3 a 8 pulgadas).
c) Magnetización con conductor central
Para la inspección de piezas cilíndricas huecas, por ejemplo tubos o anillos, se utiliza
un conductor central que induce un campo circular, como se ilustra en las figuras No. 26 y 27.
Conductor central Campo magnético
Discontinuidad
(+) (-)
Figura No. 26: Magnetización con conductor central
Conductor central Campo magnético
(+) (-)
Figura No. 27: Magnetización de piezas con forma de anillo
La posición del conductor puede ser diferente, ver la figura No. 28, y es muy importante: a) Si el conductor se coloca al centro de la pieza, el campo es simétrico alrededor. b) Si el conductor se coloca adyacente a la superficie interna de la pieza, el campo
es más fuerte en la pared cercana al conductor.
Para la inspección de tubos pequeños es preferible que el conductor sea colocado al centro, para que el campo sea uniforme para la detección de las discontinuidades que existen en cualquier punto sobre las superficies del tubo. Sin embargo, en el caso de tubos, anillos o recipientes a presión de diámetros grandes, la corriente necesaria para producir campos magnéticos con la fuerza adecuada para la inspección de la circunferencia completa, podría ser excesivamente grande.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
D 4D
b a
Figura No. 28: Posición del conductor central
En cambio, colocando el conductor adyacente a la pared, dejando activada la corriente o realizando una serie de “disparos” conforme el tubo es girado sobre su eje, puede ser producido un campo con la fuerza suficiente, y utilizando corrientes mucho menores. Para este caso, se considera que la región efectiva para la inspección es de aproximadamente cuatro veces el diámetro del conductor central, como se ilustra en la figura No. 28.
La ventaja principal de utilizar un conductor central es que, al no existir contacto entre el conductor y la pieza inspeccionada, virtualmente se elimina la posibilidad de quemaduras por arco.
La magnitud de la corriente utilizada depende de varios factores, por ejemplo la posición del conductor, el diámetro exterior y el espesor de la pieza, y el diámetro del conductor. Con el conductor colocado al centro de la pieza el campo producido es máximo en su superficie interna, y los requisitos de corriente de magnetización son los mismos que para una pieza sólida con el mismo diámetro exterior.
En algunas ocasiones las piezas inspeccionadas son demasiado grandes, cuando este caso se presenta, se puede emplear el cable que conduce la corriente eléctrica desde el generador, como conductor central.
5. Discontinuidades detectadas con campo circular
Un campo magnético circular es adecuado para detectar discontinuidades que sean transversales al flujo magnético, en este caso, que sean paralelas al eje de la pieza inspeccionada, como se ilustra en la figura No. 29.
Figura No. 29: Discontinuidades detectadas con campo circular
Una discontinuidad que sea paralela al flujo magnético no provocará fugas de flujo y no serán atraídas las partículas magnéticas.
ii. Campo longitudinal
Con un campo magnético longitudinal, la pieza se magnetiza en su longitud. El imán de tipo barra es un buen ejemplo de un campo magnético longitudinal, como se observa en la figura No. 30.
S N
Figura No. 29: Campo longitudinal en un imán de barra
Las líneas de fuerza viajan a través de la longitud de la barra, de sur a norte. Cualquier discontinuidad que forme un ángulo comprendido entre 45° y 90°, con respecto a las líneas de fuerza, provocará fugas de flujo que ejercerán la atracción de partículas magnéticas.
1. Campo producido por flujo de corriente en una bobina
La magnetización longitudinal se produce pasando corriente a través de un conductor eléctrico enrollado en espiras múltiples o bobina.
Ya que las líneas de fuerza forman circuitos cerrados, entran al espacio interno de la bobina salen y giran alrededor de ella, por la parte externa, de forma “toroidal”, ver figura No. 30.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
Espiras de la bobina
Campo longitudinal
Figura No. 30: Campo longitudinal producido por una bobina
Entonces, el campo producido es paralelo al eje de la bobina.
Los conductores eléctricos enrollados, que forman una bobina, son frecuentemente identificados como “solenoides”, como se ilustra en las figuras No. 31 y 32.
(-) (+) Corriente
Figura No. 31: Bobina construida con cable enrollado, solenoide
Discontinuidad
Campo longitudinal
(-) (+) Corriente
Cuando se utiliza una bobina fabricada con un conductor eléctrico, las líneas de fuerza alrededor de cada vuelta del enrollado se combinan, con lo cual se incrementa la densidad de flujo.
Un objeto magnetizado longitudinalmente se caracteriza porque en él existen polos magnéticos, dependiendo de su longitud, normalmente en sus extremos.
La figura No. 33 ilustra una bobina típica encontrada en sistemas de inspección por partículas magnéticas usada para detectar discontinuidades transversales
Campo longitudinal
Discontinuidad
Figura No. 33: Magnetización con bobina prefabricada
2. Intensidad del campo producido por una bobina
La mayor densidad del campo se encuentra cerca de la superficie interna de la bobina y disminuye hacia el centro de la bobina. La unidad de medición de la intensidad en una bobina es amperios-vuelta (NI), esto es el amperaje actual multiplicado por el número de vueltas o espiras de la bobina.
El campo efectivo se extiende hacia ambos lados de la bobina. Para hierro suave, el cual es altamente permeable, corresponde a una distancia de 22.86 cm (9”); la longitud efectiva para acero duro, el cual tiene baja permeabilidad, es de 15.24 cm (6”).
De lo anterior se puede concluir que cualquier discontinuidad dentro del rango de 15.24 cm a 22.86 cm (6” a 9”) hacia ambos lados de la bobina, desarrollará fugas de flujo con suficiente fuerza para atraer partículas magnéticas.
Las discontinuidades que no se encuentren dentro del rango mencionado no producirán fugas de flujo con suficiente fuerza; en otras palabras, una pieza mayor de 30.48 cm a 45.72 cm (12” a 18”) necesitaría, al menos, dos magnetizaciones para que sean atraídas las partículas magnéticas hacia las discontinuidades.
Por ejemplo, de acuerdo con la figura No. 34 la pieza deberá desplazarse hacia la derecha, de tal forma que la discontinuidad quede entre 15.24 cm a 22.86 cm (6” a 9”) a partir del extremo de la bobina.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
30” 1er Disparo
3”
2º Disparo 18”
Figura No. 34: Magnetización con bobina de una pieza larga
3. Campo magnético inducido por yugo electromagnético
Los yugos son equipos portátiles en forma de “C” (herradura), los cuales, inducen un campo magnético longitudinal entre sus polos (piernas), y son usados para magnetización local.
El campo magnético es generado en un sistema de bobina, localizada dentro del yugo, y transmitido a la pieza a través de sus polos. En la magnetización con yugo no existe el riesgo de producir quemadas por arco, gracias a que se transmite a la pieza solamente el campo magnético, la corriente no entra a la pieza, ver la figura No. 35.
Yugo
Campo
magnético
Discontinuidad
Figura No. 35: Magnetización con yugo
Existen yugos electromagnéticos que operan con corriente alterna solamente y otros que operan con corriente alterna y rectificada de media onda.
Pueden contar con piernas fijas o articuladas, las cuales permiten ajustar el contacto en superficies irregulares o en superficies unidas en ángulo, como el que se ilustra en la figura No. 36.
Figura No. 36: Yugo electromagnético
El valor de la corriente de magnetización utilizada depende del modelo del yugo. La magnetización con yugo es más efectiva cuando las piernas se encuentran separadas entre 7.6 cm y 20 cm (3 a 8 pulgadas).
4. Discontinuidades detectadas con campo longitudinal
En conclusión, mencionaremos que con la magnetización longitudinal (bobina, cable enrollado y yugo) se pueden detectar discontinuidades perpendiculares a la dirección del flujo magnético (90°) y hasta 45°, esto significa que, en el caso de la bobina y el cable enrollado, serán detectadas las discontinuidades transversales al eje de la pieza, como se muestra en la figura No. 37.
Figura No. 37: Discontinuidades detectadas con bobina
5. Ventajas de la magnetización longitudinal
La magnetización longitudinal ofrece la facilidad de inspeccionar piezas con posibles discontinuidades orientadas transversalmente al eje principal, por ejemplo en barras, flechas, tubos, etc.
La rapidez y forma práctica de colocar la bobina sobre la pieza, permite realizar con agilidad la inspección.
Partículas Magnéticas Nivel I y II
CAPÍTULO CINCO: SELECCIÓN DEL MÉTODO APROPIADO
V
i. Aleación, forma y condiciones de la pieza
La aleación del objeto inspeccionado es importante porque ya mencionamos que de ello depende la permeabilidad de un material. Para la aplicación de este método son una limitante las aleaciones con alto contenido de níquel y cromo, que vienen siendo los aceros inoxidables y austeníticos en general.
La forma de identificar estos materiales es por medio de un imán; si el imán se adhiere fuertemente a la pieza, es indudable que el método de partículas magnéticas se puede aplicar; si la adherencia es muy débil, se recomienda utilizar otro método de examen. La forma geométrica de las piezas también es una limitante para el método ya que las esquinas, los chaveteros, los estriados, los barrenos, etc., producen indicaciones falsas o indicaciones no relevantes.
Así mismo, se debe tener en cuenta si la pieza fue sometida a un tratamiento térmico o si ha sido trabajada en frío o en caliente, o si es nueva o usada, es decir, se deben tomar en cuenta las condiciones de las piezas porque de ello depende, en gran parte, la interpretación y evaluación de las indicaciones resultantes ya que pueden ser relevantes o no relevantes.
ii. Tipo de corriente de magnetización
Con la expansión y desarrollo de los procesos de inspección por partículas magnéticas y los continuos avances en los circuitos eléctricos, hoy en día se encuentran disponibles varios tipos de corrientes de magnetización.
a) Corriente alterna
La corriente alterna (CA) es el tipo más conveniente de corriente eléctrica debido a que es utilizada para casi todos los servicios. Su rango de voltaje comercialmente disponible es de 110 a 440 voltios. Los circuitos eléctricos para producir CA son simples y relativamente baratos, porque solo se requiere transformar el suministro comercial en voltajes bajos y corrientes de magnetización con altos amperajes. Por todo esto, la CA es el tipo de corriente más ampliamente utilizada para efectuar la prueba por partículas magnéticas.
La fase de CA simple (comúnmente utilizada) requiere de dos conductores y dirección inversa a razón de 50 o 60 ciclos por segundo, como se muestra en la curva sinusoidal de CA de la figura No. 38.
La corriente alterna puede ser aumentada o disminuida con relativa facilidad y economía mediante el uso de transformadores. Por lo tanto, la CA puede convertirse fácilmente a los altos amperajes utilizados en la prueba por partículas magnéticas.
(+)
Intensidad 0 Tiempo
(–)
Figura No. 38: La corriente alterna
La corriente alterna tiene poca capacidad de penetración, por lo que, el campo magnético inducido por la CA se concentra cerca de la superficie de la pieza que está siendo magnetizada, a esto se le conoce como “efecto de piel”. Por tal razón, la CA es considerada como la mejor para detectar discontinuidades superficiales.
Debido a que la CA cambia continuamente de dirección, a razón de 60 ciclos por segundo, el cambio de dirección constante del campo magnético tiene la tendencia de agitar o proporcionarles movilidad a las partículas magnéticas. Esto provoca que las partículas sean atraídas más fácilmente a los campos producidos por las fugas de flujo. Los campos magnéticos producidos por CA son muy fáciles de remover durante la desmagnetización.
b) Corriente directa rectificada de media onda
Cuando se rectifica una fase de CA, la corriente resultante es conocida como corriente directa rectificada de media onda (CDRMO). Esto significa simplemente que la polaridad inversa o porción negativa de la curva sinusoidal de CA es eliminada, como se muestra en la figura No. 39.
(+)
Intensidad 0 Tiempo
(–)
Partículas Magnéticas Nivel I y II
La corriente directa rectificada de media onda consiste de pulsos individuales de corriente alterna, con intervalos de tiempo en los que no fluye corriente, ver la figura No. 40.
(+)
Intensidad 0 Tiempo
(–)
Figura No. 40: Corriente directa rectificada de media
Cada pulso dura medio ciclo, lo que resulta en una corriente que fluye en una sola dirección.
La corriente máxima de pico es la misma que la de la corriente alterna, y el valor de la corriente promedio es considerablemente menor que la corriente pico.
Aunque la corriente directa es rectificada de media onda es un tipo de corriente directa, se identifica como CDRMO (HWDC por su nombre en inglés Half Wave Direct Current), lo que permite diferenciarla de la verdadera CD.
En la inspección por partículas magnéticas, una diferencia importante entre la corriente alterna y la CDRMO y CD, es que los campos producidos por estas últimas penetran en la pieza.
La corriente directa rectificada de media onda tiene un valor de densidad de flujo de cero en el centro de la pieza inspeccionada, y se incrementa hasta que alcanza un valor máximo en la superficie, por lo que, la densidad de flujo en el interior de una pieza es mucho mayor con CDRMO y CD que con CA.
Entonces, la CDRMO y la CD se emplean siempre en los ensayos para detectar discontinuidades subsuperficiales, aunque se podrá detectar también discontinuidades superficiales, pero no son tan eficaces como la CA para éste último caso.
La mejor aplicación de la CDRMO es en la inspección de soldaduras y fundiciones, en combinación con el uso de polvo seco y magnetización con puntas.
c) Corriente directa
Como se puede observar en la figura No. 41, la corriente directa es un flujo continuo de corriente en una sola dirección.