PLAN DE INSPECCIÓN PARA INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EL TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR MEDIANTE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

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UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA

Peumo Repositorio Digital USM https://repositorio.usm.cl

Tesis USM TESIS de Técnico Universitario de acceso INTERNO

2016

PLAN DE INSPECCIÓN PARA

INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA

EL TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR

MEDIANTE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

CANCINO DIAZ, JARROD

http://hdl.handle.net/11673/40764

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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

SEDE VIÑA DEL MAR – JOSÉ MIGUEL CARRERA

PLAN DE INSPECCIÓN PARA INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EL

TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR MEDIANTE ENSAYOS NO

DESTRUCTIVOS

Trabajo de Titulación para optar al Título de Técnico Universitario en MECÁNICA INDUSTRIAL

Alumno:

Gabriel Antonio Allendes Veas Jarrod VanzCancino Díaz

Profesor Guía:

Sr. Luis Gutiérrez Meneses

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RESUMEN

KEYWORDS: INTERCAMBIADOR DE CALOR – PLAN DE INSPECCIÓN

Esta tesis estudia cuatro capítulos que desarrollan una metodología, con la cual elaborar de un plan de inspección para intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular, utilizando la inspección visual y ensayos no destructivos complementarios.

Capítulo 1: Se enfoca en la definición del mantenimiento, definiendo los tipos, ventajas y desventajas de cada uno, además tiene como objetivo identificar los mecanismos de deterioro más comunes que afectan a los intercambiadores de calor y las consecuencias que puedan generar y reducir su eficiencia durante un proceso productivo. Capítulo 2: Tiene como objetivo explicar conceptos generales de los intercambiadores de calor, clasificándolos de acuerdo a sus aplicaciones y a su construcción. Definir a los intercambiadores de calor del tipo de carcasa-haz tubular, a través de la identificación de sus partes más importantes y las que son sometidas a inspección.

Capítulo 3: Está orientado a los ensayos no destructivos que se utilizan en los procedimientos de inspección de los equipos que conforman una producción, ensayo de líquidos penetrantes, partículas magnéticas, gammagrafía y corrientes de Eddy. Se indican las ventajas y desventajas de cada uno y para detectar que tipo de indicaciones se utilizan.

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ÍNDICE

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS

OBJETIVO GENERAL

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

CAPÍTULO 1: MANTENIMIENTO Y MECANISMOS DE DETERIORO DE

LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

1.1. OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO

1.2. OBJETIVOS GENERALES

1.3. TIPOS DE MANTENIMIENTO

1.3.1. Mantención correctiva

1.3.2. Mantención Preventiva

1.3.3. Mantención predictiva

1.3.4. Mantención proactiva

1.4. MECANISMOS DE DETERIORO EN INTERCAMBIADORES DE CALOR

1.4.1. Ensuciamiento

1.4.2. Corrosión

1.4.3. Fugas o Ruptura de la superficie de transferencia de calor

CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES GENERALES DE LOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR

2.1. DEFINICIÓN DE INTERCAMBIADOR DE CALOR

2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

2.2.1. Clasificación según la trayectoria de los fluidos

2.2.2. Clasificación según su aplicación

2.2.3. Clasificación según sus características de construcción

2.3. INTERCAMBIADOR DEL TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR

2.3.1. Partes de los intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular.

2.3.2. Materiales

CAPÍTULO 3: ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

3.1. ¿QUÉ SON LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS?

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3.1.2. Clasificación de los ensayos no destructivos

3.1.4. Razones para el uso de ensayos no destructivos

3.1.5. Factores para la selección de los ensayos no destructivos

3.1.6. Clasificación y certificación del personal de ensayos no destructivos

3.2. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

3.2.1. Fundamentos teóricos

3.2.2. Fundamento del método

3.3. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

3.3.1. Principios básicos

3.3.2. Ventajas y desventajas del método

3.4. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR GAMMAGRAFÍA

3.4.1. Principio básico

3.4.2. Fundamento del método

3.4.3. Interpretación de radiografías

3.4.4. Ventajas y desventajas del método

3.4.5. Seguridad radiológica

3.5. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR CORRIENTES DE EDDY

3.5.1. Principio básico

3.5.2. Ventajas y Desventajas

3.6. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO

3.6.1. Principios básicos

3.6.2. Inspección por ultrasonido

3.6.3. Sistema de inspección ultrasónica

3.6.4. Aplicaciones

3.6.5. Ventajas y desventajas

CAPÍTULO 4: PLAN DE INSPECCIÓN PARA INTERCAMBIADORES DE

CALOR DEL TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR

4.1. INSPECCIÓN

4.2. MÉTODOS DE INSPECCIÓN

4.3. PLAN DE INSPECCION PARA INTERCAMBIADOR DE CALOR DEL

TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR

4.3.1 Actividades de Inspección y frecuencias

4.3.2. Diagrama de flujo

4.3.3. Ensayo mediante inspección visual

4.3.4. Inspección con Líquidos penetrantes o partículas magnéticas

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4.3.6. Inspección del haz tubular por ensayo de corrientes de Eddy

4.3.7. Inspección mediante radiografía

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

BIBLIOGRAFÍA

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1. Haz tubular equipo C-149, unidad TOPPINGI, ENAP Refinería

Figura 1-2. Tubo con roturas a causa de corrosión por esfuerzo

Figura 1-3. Deterioro severo adyacente a los orificios de la boquilla

Figura 1-4. Tubo de acero afectado por Pitting

Figura 1-5. Equipo C-377, Planta de Reformación catalítica continua, ENAP

Figura 1-6. Grieta entre el tubo de bronce y la placa porta-tubos de acero

Figura 2-1. Trayectoria paralela de ambos flujos

Figura 2-2. Trayectoria contraria de ambos flujos

Figura 2-3. A la Izquierda Flujo cruzado de un paso y a la derecha flujo cruzado de

múltiples pasos

Figura 2-4. Intercambiador de horquilla de múltiples pasos

Figura 2-5. Intercambiador de placas. Su estructura facilita la limpieza de las placas

Figura 2-6. Intercambiador de calor en espiralo vista exterior e interior

Figura 2-7. Intercambiador carcas-haz tubular seccionado

Figura 2-8. Intercambiador con cabezal flotante (superior) y haz tubular de tubos en

“U” (inferior)

Figura 2-9. Channel o canal del equipo C-309, Planta MHC-ENAP

Figura 2-10. Carcasa del equipo C-309, Planta MHC-ENAP

Figura 2-11. Cabezal de carcasa o bonete del equipo C-309, Planta MHC-ENAP

Figura 2-12. Haz tubular del equipo C-136, Planta Topping II-ENAP

Figura 2-13. Haz tubular del equipo C-136, Planta Topping II-ENAP

Figura 3-1. Campo de fuga

Figura 3-2. Flujo disperso por discontinuidad

Figura 3-3. Tipo de mojabilidad de un liquido

Figura 3-4. Diferencia de mojabilidad entre agua y mercurio

Figura 3-5. Muestra de capilaridad en distintos liquido

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Figura 3-7. Modelo de cuerpo elástico

Figura 3-8. Ondas acústicas

Figura 3-9. Sistema de Inspección Ultrasónica

Figura 4-1. Cruce de cordón de soldadura que se ensaya mediante LP o PM

Figura 4-2. Ensayo por LP en la unión soldada de manto y cabezal

Figura 4-3. Sectores de medición de espesor

Figura 4-4. Medición de espesor por ultrasonido de un cabezal de carcasa

Figura 4-5. Inspección de Haz tubular mediante Corrientes de Eddy

Figura 4-6. Radiografía a boquilla 4” de carcaza Intercambiador

ÍNDICE DE DIAGRAMAS

Diagrama 4-1. Diagrama de flujo

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2-1. Materiales

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INTRODUCCIÓN

Un plan de inspección tiene como objetivo, principalmente, la prevención de accidentes con el fin de proteger a las personas, los bienes y el medio ambiente. Debido a la cantidad de equipos hoy utilizados en los procesos productivos de plantas petroquímicas es necesario monitorear el comportamiento de estos, lo cual hoy en día, debido a las diversas tecnologías que se han desarrollado es posible determinar una gran cantidad de anomalías que afectan a estos equipos con el fin de evitar pausas o detenciones prolongadas no programadas en procesos productivos de gran importancia como es la industria de refinación del petróleo y sus derivados.

Este ensayo tiene como objetivo principal determinar un plan de inspección preventiva a un intercambiador de calor del tipo carcasa –haz tubular mediante de ensayos no destructivos.

Los intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular son uno de los equipos más utilizados en la industria para la transferencia de energía térmica de un fluido a alta temperatura a otro fluido de menor temperatura, en donde se trabaja a elevadas temperaturas y altas presiones como lo es en la refinación del petróleo.

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OBJETIVOS GENERALES Y ESPECÍFICOS

OBJETIVO GENERAL

Elaborar un plan de inspección de un intercambiador del tipo carcasa-haz tubular mediante ensayos no destructivos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Indicar la importancia del mantenimiento de los equipos en los procesos productivos en la industria. Por medio de la identificación de los mecanismos de deterioro más comunes y las consecuencias que pueden provocar en los intercambiadores de calor.

Explicar conceptos generales de los intercambiadores de calor del tipo carcasa- haz tubular a través de la clasificación y la definición de sus partes más importantes.

Demostrar la importancia de los ensayos no destructivos utilizados en la inspección de intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular por medio de referencias técnicas.

Elaborar una planificación para realizar la inspección indicando los distintos procedimientos para cada ensayo no destructivo a utilizar, definir sectores a inspeccionar, indicar el porcentaje de inspección, y elaborar formatos de informes para dejar registros de los resultados obtenidos.

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CAPÍTULO 1: MANTENIMIENTO Y MECANISMOS DE DETERIORO

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1. MANTENIMIENTO Y MECANISMOS DE DETERIORO DE LOS

INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los tipos de mantenimiento son acciones eficaces para mejorar aspectos operativos relevantes de una planta tales como funcionalidad, seguridad, y productividad. El mantenimiento debe ser tanto periódico como permanente. Definimos mantenimiento como el conjunto de técnicas destinado a conservar equipos e instalaciones industriales en servicio durante el mayor tiempo posible, buscando la más alta disponibilidad y con el máximo rendimiento. Actualmente existen diversos programas de mantenimiento avocados a obtener el mayor rendimiento productivo por parte de los equipos, esta condición de productividad será directamente afectada por el número y tiempos de paradas por la realización de actividades de mantenimiento.

Como concepto se puede nombrar como un conjunto de procedimientos técnicos cuya función es conseguir él más alto grado de disponibilidad en los medios, procurando mejorar en ellos las condiciones para su más alto rendimiento con el menor costo posible.

El mantenimiento, se opone a la degradación de los equipos productivos el cual se manifiesta por el desgaste, las fallas, los errores, la antigüedad, etc. Por otra parte y no menos importante el mantenimiento está influido por el modo de operar los equipos.

El buen mantenimiento comienza por la buena condición de la maquinaria.

1.1. OBJETIVOS DEL MANTENIMIENTO

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1.2. OBJETIVOS GENERALES

Reducir el número de averías y su duración, proporcionar una asistencia técnica eficaz y rápida a las instalaciones. Investigar las causas que producen las averías, evitar la degradación prematura de los equipos.

Ejecutar los trabajos con seguridad e higiene personal, Perfeccionar y especializar profesionalmente al personal.

Gestionar eficazmente los almacenes e inventario de repuestos Estudiar y realizar modificaciones, sin grandes inversiones que mejoren algunos de los aspectos citados anteriormente. Existen dos objetivos fundamentales, que al realizar una mantención correcta desembocan en una serie de beneficios.

Eliminación de detenciones de producción no necesarias originadas por fallas, deterioros o destrucciones de las maquinarias, equipos e instalaciones.

Optimización de los costos de mantención, por buenas prácticas para maximizar la productividad.

Los beneficios que se logran al cumplir con los objetivos anteriores son los siguientes:

Menor pérdida de producción, ahorros y cumplimientos de compromisos. Menor cantidad de repuestos en bodega.

Menor cantidad de equipos de reserva.

Menor necesidad de tiempo extra, ya sea del personal de producción o del personal de mantención.

Menor costo de reparación debido a ajustes menores efectuados oportunamente. Mejor conservación de los equipos.

Reducción de los costos directos de mantención de mano de obra y materiales.

1.3. TIPOS DE MANTENIMIENTO

1.3.1. Mantención correctiva

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formas de intervención: Correctivos Programado (reparación) y el Correctivo no programado (Averías).

Este tipo de Mantención se basa en corregir la falla cuando esta se produce, es decir se espera a que la máquina se descomponga o falle, para hacer solo las reparaciones necesarias. Aunque la mayoría de las veces este tipo de mantención es mal aplicada, es correcto utilizarla en los siguientes casos:

a. Si la falla de los equipos no influye en la productividad. b. Si la falla no afecta a partes o piezas importantes.

c. Si se dispone de repuestos en bodega y estos son de bajo costo. d. Si se dispone de mano de obra en todo momento.

El objetivo de este tipo de mantenimiento es llevar los equipos a sus condiciones originales, después de una falla, por medio de restauración o reemplazo de piezas, elementos, partes de equipos o instalaciones, debido a desgaste, daño o rotura.

a. Ventajas del Mantenimiento Correctivo.

No requiere inversiones en equipos de medición de parámetros. Se aprovecha totalmente la vida útil de la pieza.

No es necesaria una organización de mantenimiento y tampoco personal altamente calificado.

b. Desventajas del Mantenimiento Correctivo.

Baja confiabilidad de los equipos y ocurrencia de fallas inesperadas. Paros largos y frecuentes.

Averías más graves. No corrige las causas.

Costo elevado de reparación y hay pérdidas de producción al no poder planificar.

Alto costo en mantenimiento e interrupción operacional no programada. Riesgo de accidente.

1.3.2. Mantención Preventiva

Es una actividad planificada en cuanto a inspección, detección y prevención de fallas incipientes y cuyo objetivo es mantener el equipo o instalación bajo condiciones específicas de operación.

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los problemas que estadísticamente se pueden esperar, "Mantenimiento Histórico", este seguimiento se traduce en información sobre la base de conocimientos y experiencia. El mejor concepto que define a la mantención preventiva es el de "limite de vida útil en servicio". Al cumplirse la vida útil en servicio se realizan los trabajos de mantención ya predeterminados.

Los planes de mantenimiento preventivos contemplan aspectos de limpieza, inspección, regulación y recambio de piezas, independiente del estado en que se encuentran, una vez cumplido el plazo previamente fijado. Estos periodos los fija el fabricante considerando las peores condiciones imaginables en que puede trabajar el equipo que está vendiendo, por otro lado, deben ser revisadas y sometidas al criterio de la persona a cargo del mantenimiento.

Con el objetivo de determinar el ciclo de mantenimiento programado se requiere como soporte un buen sistema de datos y archivos históricos, catálogos, vendor, etc.

Es necesario llevar registro sobre relación de horas de operación y horas de mantenimiento, índice de fallas, reemplazo de partes y elementos entre otras cosas. Los modernos sistemas de procesamientos de datos permiten evaluar el comportamiento de un equipo y sus fallas potenciales, basados en el uso y aplicación, ambiente, destreza del operador y otras condiciones influyentes.

a. Ventajas:

Puede planificar los recursos necesarios, tales como: Personal, materiales (partes y repuestos), herramientas e información.

La coordinación de los trabajos se efectúa con el involucramiento de los departamentos de Operaciones, Ingeniería, Suministros, Materiales y Personal.

Simultáneamente pueden ejecutarse modificaciones, proyectos menores y mantenimiento correctivo.

Minimizar número de averías.

Reducir el número y la duración de las detenciones, corrigiendo las causas.

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b. Desventajas:

El costo del reemplazo de partes o componentes cuyo grado de desgaste no representa un motivo suficiente y por consecuencia permitir extender la vida útil del elemento.

Paradas innecesarias.

Requiere personal técnico calificado y con experiencia.

1.3.3. Mantención predictiva

Esta actividad tiene por objeto el detectar fallas incipientes en los equipos, mediante medición, inspección y prueba, utilizando sensores, detectores de todas aquellas magnitudes que definen el estado del equipo y que pueden alcanzar un nivel peligroso para la integridad y el funcionamiento de las maquinarias. Ejemplo: Para percibir los síntomas con que la máquina nos está advirtiendo, se requiere de varias pruebas no destructivas, tales como, análisis de vibraciones, ultrasonido, análisis de aceite, análisis de desgastes de partículas, termografía, etc. La mantención predictiva permite que la gerencia de la planta tenga el control de los circuitos de cañerías y/o máquinas y de los programas de mantenimiento y no al revés. En una planta donde se usa la mantención predictiva, el estado de los circuitos de cañería se puede conocer en cualquier momento, a través de un seguimiento de las cañerías y es posible una planificación más precisa en función de la evolución de determinados parámetros.

La ventaja más importante de la mantención predictiva de equipo industrial, es un grado de preparación más alto de la planta. El establecer una tendencia sobre tiempo de las fallas que se empiecen a desarrollar, se puede hacer con precisión y las operaciones de mantenimiento, se pueden planificar de tal manera que coincidan con paros programados de la planta.

a. Ventajas:

Además de las mismas ventajas del mantenimiento preventivo hay que agregar la vigilancia permanente y objetiva por medio de instrumentos (nivel de vibración, temperatura, emisión acústica, lubricación, grado de corrosión).

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b. Desventajas:

La desventaja del mantenimiento predictivo es la elevada inversión inicial en instrumentación o equipos de medición portátil de alta tecnología. Requiere personal técnico muy calificado y con experiencia.

1.3.4. Mantención proactiva

Se basa en la mantención predictiva, por lo tanto, utiliza los mismos equipos, pero le agrega una herramienta propia de la ingeniería de mantenimiento, como lo es el análisis de fallas, el cual permite establecer el origen de la anomalía, permitiendo corregir la anomalía para lograr una mayor vida útil en los componentes.

a. Ventajas:

Permite establecer la causa que genera el comportamiento anormal en los equipos y máquinas.

Los componentes analizados obtienen una mayor vida útil, gracias a que se corrigen los orígenes de las averías.

b. Desventajas:

El costo del personal capacitado capaz de realizar estudios y análisis de fallas o comportamiento anormal de los componentes.

Al identificar los distintos tipos de mantenimiento, conociendo las ventajas y sus desventajas, lo que se propone en este plan de inspección para intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular es aplicar la mantención tanto preventiva como predictiva, ya que al complementar distintos tipos de END se pueden detectar diversas anomalías, tales como: el avance de algún tipo de mecanismo de deterioro (ejemplo: corrosión), la obstrucción generada por diferentes tipos de depósitos, sedimentos que van disminuyendo la eficiencia y a su vez la vida útil de esto equipos.

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1.4. MECANISMOS DE DETERIORO EN INTERCAMBIADORES DE

CALOR

La operación correcta y sin problemas de un intercambiador, se establece desde el primer momento cuando selecciona o se diseña un intercambiador de calor, para esto se debe anticipar los diferentes fallas que se pueda presentar durante el servicio. Los problemas más comunes en intercambiadores se pueden dividir en tres categorías:

a. Ensuciamiento (Fouling) b. Corrosión

c. Fugas

1.4.1. Ensuciamiento

El ensuciamiento es una acumulación de materiales indeseables (depósitos) en las superficies del intercambiador de calor. El material indeseable puede ser de tipo cristales, sedimentos, polímeros, sales inorgánicas, productos de coque, de tipo biológico, productos de corrosión, etc.

Las condiciones que influyen el ensuciamiento son principalmente:

a. Parámetros de Operación Velocidad.

Temperatura de superficie. Temperatura del fluido.

b. Parámetros del Intercambiador de Calor: Configuración del intercambiador. Material de la superficie.

Estructura de la superficie. c. Propiedades del Fluido:

Sólidos Suspendidos. Sólidos Disueltos. Gases Disueltos.

Trazos de otros elementos.

El ensuciamiento acarrea los siguientes problemas: Incremento de los costos de mantenimiento

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Materiales especiales y/o consideraciones de diseño Costo adicional de los químicos de limpieza de equipos Disposición de soluciones de limpieza peligrosas

Reducción de la vida útil e incremento de los costos de energía Incremento de los costos de regulación ambiental

Pérdida de capacidad de planta y/o de eficiencia de las opciones de recuperación de desperdicio de calor.

La siguiente imagen muestra la acumulación de suciedad en la placa tubular de un intercambiador de calor provocando la obstrucción de los tubos y la consiguiente disminución de la eficiencia del equipo.

Fuente: Elaboración propia fotografía en terreno

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1.4.1.1. Mecanismos del ensuciamiento

Hay cinco tipos de mecanismo de ensuciamiento que serán nombrados a continuación:

a. Precipitación / Cristalización:

La precipitación de las sales pueden aparecer en el fluido de proceso, en la capa límite térmica, o en la superficie de interfaz del fluido (película de ensuciamiento). Este mecanismo es común en agua no tratada, aguas geotérmicas, agua de mar, salmueras, soluciones acuosas de soda cáustica. Este tipo de ensuciamiento se caracteriza por el depósito de sales en sistemas de enfriamiento del agua. Si la capa depositada es dura y tenaz, se refiere a menudo como incrustaciones. Si es porosa y blanda, es llamado lodo.

b. Material Particulado o Sedimentación: Se refiere a la deposición de sólidos suspendidos en un líquido sobre las superficies de transferencia de calor tales como productos de corrosión, arenas, minerales en el agua, partículas de hollín, etc. La sedimentación se produce debido a la gravedad

c. Reacción Química

Se refiere de deposición del material de ensuciamiento producida por reacciones químicas del fluido de proceso en la interfaz superficie líquido (película de ensuciamiento). Es Común en refinería de petróleo y producción de polímeros. La inestabilidad térmica de algunas especies químicas como asfaltos y proteínas, también induce la deposición de material de ensuciamiento. Generalmente este tipo de ensuciamiento ocurre en puntos calientes localizados en el intercambiador de calor en unidades petroquímicas. Este mecanismo de ensuciamiento es consecuencia de una reacción química no deseada, que se produce durante el proceso de transferencia de calor.

d. Biológico

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e. Solidificación

Formación de hielo, ceras parafinadas. Este mecanismo ensuciamiento se produce a bajas temperaturas.

1.4.2. Corrosión

La corrosión representa el deterioro mecánico de los materiales de construcción de intercambiador de calor de la superficie bajo la influencia del flujo de fluidos y ambientes agresivos. La superficie de transferencia de calor reacciona químicamente con los elementos del fluido produciendo una capa de corrosión menos conductiva en una parte o en la totalidad de la superficie.

Efectos de la corrosión: Falla prematura del metal

El depósito de productos derivados de la corrosión reducen tanto el flujo como la transferencia de calor.

1.4.2.1. Tipos de corrosión

a. Corrosión de esfuerzo:

Resulta de la combinación de un esfuerzo de tensión constante con un medio ambiente corrosivo y con un material susceptible, causando fallas en un tiempo menor que el que causaría los efectos por separado.

La expansión diferencial entre los tubos y el casco en un intercambiador de placas tubulares fijas puede generar esfuerzos, lo que genera corrosión de esfuerzo.

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Fuente: Nalco Chemical Company

Figura 1-2. Tubo con roturas a causa de corrosión por esfuerzo

b. Corrosión galvánica:

La corrosión galvánica frecuentemente se conoce como corrosión de metal no similar. Esta corrosión puede ocurrir cuando dos materiales diferentes se acoplan en un electrolito corrosivo.

La corrosión galvánica ataca entre las interfaces de las superficies de contacto como tubos-bafles y/o placas porta-tubos o el contacto entre el casco y los bafles. En la imagen se aprecia la corrosión en la interfaz de los tubos de material acero carbono y la placa tubular de material bronce.

Fuente: Nalco Chemical Company

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c. Corrosión por oxigeno (Pitting):

El “Pitting” es una forma localizada de ataque corrosivo. Se caracteriza por la formación de agujeros en la superficie del tubo.

La corrosión por picadura se produce cuando una película superficial de protección se rompe, la superficie de esta película se forman sobre la superficie del metal por reacción con un entorno o durante el tratamiento térmico. Las causas que producen este tipo de corrosión son:

Contenido de oxígeno disuelto

Deposición de productos derivados de la corrosión

Falta de homogeneidad causada por los proceso de unión.

La imagen muestra el interior de un tubo con corrosión tipo pitting de gran tamaño y de profundidad importante capaces de producir lecturas erróneas al momento de la medición del espesor por UT.

Fuente: Nalco Chemical Company

Figura 1-4. Tubo de acero afectado por Pitting

d. Corrosión uniforme o por óxido:

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Algunos métodos comunes utilizados para prevenir o reducir la corrosión general se listan a continuación:

Recubrimientos Inhibidores

Protección catódica

Selección adecuada de materiales

La corrosión uniforme no es localizada afecta la superficie del metal que se encuentra rodeada por el medio corrosivo. La temperatura, la concentración, la oxidación, acidez, etc., tienen una influencia significativa en este tipo de corrosión. La corrosión atmosférica y las altas temperaturas de los gases corrosivos son los medio más corrosivos para los intercambiadores de calor. Este mecanismo de corrosión usualmente degrada la superficie de transferencia de calor. Los metales que tienen una reducción de su espesor de 0.1 mm/año son considerados excelentes los que tienen 0,1 a 0,5 mm/año es satisfactorio y los que tienen por encima de 1 mm/año es insuficiente para los intercambiadores de casco y tubos. La imagen muestra el óxido generado uniformemente en la superficie de los tubos

Fuente: Elaboración propia, fotografía haz tubular

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e. Corrosión de fisura:

La corrosión por fisura es una forma localizada de ataque corrosivo. Ocurre en pequeñas aperturas o espacios entre dos superficies de metal o entre superficies de metal con no metal. Algunos ejemplos son:

Bridas

Extremos de tubos Acoples roscados Juntas

Soldaduras

Unión placa espejo con tubos

Algunos métodos para reducir los efectos de la corrosión de fisura son: Eliminar la fisura desde el diseño. Por ejemplo, ajuste cerrado. Una separación de 3 mm entre el tubo y su agujero en esta cara de la placa tubular permite que el tubo se expanda en esta dirección.

Selección de materiales más resistentes a la corrosión por fisura.

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Fuente: Nalco Chemical Company

Figura 1-6. Grieta entre el tubo de bronce y la placa porta-tubos de acero

1.4.3. Fugas o Ruptura de la superficie de transferencia de calor

Las fugas se pueden generar en:

a. En las uniones entre los tubos y las placas tubulares debido a:

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Ciclos térmicos causados por apagados frecuentes u operaciones por proceso que pueden generar que los tubos se aflojen en los agujeros de acople de la placa tubular.

b. Pueden ocurrir fugas debido a un fallo del tubo provocado por vibración o expansión térmica diferencial.

1.4.3.1. Costo de las fugas

Grandes pérdidas de producción o costos de mantenimiento

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CAPÍTULO 2: ANTECEDENTES GENERALES DE LOS

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2. ANTECEDENTES GENERALES DE LOS INTERCAMBIADORES DE

CALOR

2.1. DEFINICIÓN DE INTERCAMBIADOR DE CALOR

Un intercambiador de calor es un equipo diseñado para transferir calor de un fluido a otro que se encuentren separados por una barrera solida o estén directamente en contacto. Son parte esencial de los sistemas de refrigeración, acondicionamiento de Aire, producción de Energía y procesamiento Químico.

Existen tres modos de transferencia de calor: conducción, convección y radiación.

Conducción: Es un proceso en donde la energía térmica fluye de un sector de mayor a temperatura a otro de menor temperatura dentro de algún medio (solido, líquido o gaseoso), o de medios diferentes que estén en contacto físico directo.

Convección: Este proceso de transferencia de calor se produce únicamente por medio de fluidos (aire, líquidos) el trasporta el calor entre las zonas con diferentes temperaturas, en si la transferencia de calor se produce por medio de las corrientes que actúan en el fluido.

Radiación: Proceso donde la transferencia de calor entre dos cuerpos sucede sin contacto físico, ni fluidos (Aire, líquido) que transporten el calor entre estos cuerpos.

2.2. CLASIFICACIÓN DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

Los intercambiadores se pueden clasificar de varias maneras pero las más comunes son:

Según la trayectoria de los fluidos. Según su aplicación

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2.2.1. Clasificación según la trayectoria de los fluidos

Flujo paralelo Contraflujo

Flujo cruzado de un paso y de múltiples pasos.

a. Flujo paralelo:

En este tipo de intercambiadores el flujo caliente y el frio ingresan por el mismo extremo del equipo, fluyen en el mismo sentido a través de este y salen por el otro extremo. La diferencia de temperatura es grande al principio pero disminuye al aumentar la distancia. Es importante destacar que la temperatura de salida del fluido frio nunca excederá la del fluido caliente.

Fuente: Elaboración propia, basado en trayectorias de fluidos

Figura 2-1. Trayectoria paralela de ambos flujos

b. Contraflujo:

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Fuente: Elaboración propia, basado en trayectorias de fluidos

Figura 2-2. Trayectoria contraria de ambos flujos

c. Flujo cruzado:

Existen dos tipos, de un paso que se refiere a que un fluido fluye en forma perpendicular a la trayectoria del otro, y de múltiples pasos en donde el fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente del fluido.

Fuente: Elaboración propia, basado en trayectorias de fluidos

Figura 2-3. A la Izquierda Flujo cruzado de un paso y a la derecha flujo cruzado de múltiples pasos

2.2.2. Clasificación según su aplicación

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a. Calderas:

Equipos diseñados para generar vapor para fuerza, procesos industriales, o calentar agua. Transmiten el calor de una fuente externa o de la combustión de algún material.

b. Condensadores:

Estos equipos convierten un fluido en estado gaseoso (vapor) ha estado líquido a través de la transferencia de calor de un fluido en estado líquido de menor temperatura del vapor a condensar.

c. Torres de enfriamiento:

Este sistema utiliza la transferencia de calor y de masa para enfriar un líquido de trabajo, que entrega el calor por difusión y convección a una corriente de aire frio. Los fluidos están en contacto directo lo que permite eliminar resistencia al flujo de calor.

2.2.3. Clasificación según sus características de construcción

a. Tubular o horquilla:

Están construidos generalmente por tubos circulares, elípticos, rectangulares. Existe una flexibilidad en el diseño, modificando el diámetro, longitud y posición de los tubos. Este tipo es diseñado para altas temperaturas, es utilizado principalmente en servicios de líquido-liquido, líquidos con cambio de fase (evaporación-condensación).

Fuente: www.barriquand.com

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b. Placas:

Son máquinas construidas por una estructura y placas metálicas generalmente corrugadas y montadas a presión, con orificios orientados de acuerdo al flujo, formando un área necesaria para la transferencia de calor. Son utilizados en servicios de presiones y temperaturas relativamente bajas.

Fuente: www.tranter.com

Figura 2-5. Intercambiador de placas. Su estructura facilita la limpieza de las placas

c. Tubos espiral:

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Fuente: www.tranter.com

Figura 2-6. Intercambiador de calor en espiralo vista exterior e interior

d. arcasa-haz tubular:

En este tipo la transferencia de calor se produce a través de dos corrientes fluidas que no se mezclan, separadas por una pared de tubo u otra superficie que esté involucrada en el paso del fluido. Este intercambiador facilita su limpieza pudiendo así controlar la corrosión.

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Fuente: www.operacionesunitarias.com

Figura 2-7. Intercambiador carcas-haz tubular seccionado

Como se ha podido mostrar la clasificación de los intercambiadores de calor es muy amplia lo que demuestra que su uso en la industria es indispensable y de gran ayuda en los procesos productivos especialmente en el área petroquímica o en la obtención de productos derivados del petróleo.

El plan de inspección que se propone está dedicado a un tipo en específico de intercambiador de calor, del tipo carcasa-haz tubular ya que es uno de los más comunes e importante en la industria que se dedica a la refinación del petróleo. La importancia de mantener en los equipos, controles periódicos o inspecciones de sus estados, tanto estructurales como operativos, en un proceso productivo es de vital importancia con el fin de evitar pérdidas o daños tanto en las personas que operan como en los equipos mismos.

2.3. INTERCAMBIADOR DEL TIPO CARCASA-HAZ TUBULAR

(35)

Por el interior de los tubos circula otro fluido con temperatura distinta al fluido de la carcasa. La transferencia de calor en este intercambiador, en donde los fluidos que circulan no se mezclan, se produce por convección y conducción a través de las paredes de los tubos. Además se compone de otras partes, también importantes, como son los cabezales, channel o canal, placas tubulares, bafles y boquillas.

De este tipo de intercambiadores existen dos que son los más utilizados:

Haz tubular de tipo “U”

Haz tubular con cabezal flotante.

El plan de inspección que se propone aplica para ambos tipos de intercambiadores de calor, a continuación definiremos las partes que componen a estos intercambiadores de calor. En la siguiente figura se ilustra en la parte superior un intercambiador con cabezal flotante y en la parte inferior un intercambiador con haz tubular de tubos en “U”.

Fuente: Tema 9thedición.

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2.3.1. Partes de los intercambiadores de calor del tipo carcasa-haz tubular.

a. Channel o Canal:

Se refiera al cabezal de admisión del fluido para el lado tubos, consta de una boquilla de entrada y otra de salida del fluido, además en su interior posea una o más placas de partición que dependen del número de pasos del fluido. En sus extremos posee bridas o flanges soldadas que permiten el montaje de la su tapa en un extremo y el montaje a la carcasa en el extremo opuesto.

Fuente: Archivo de Planos ENAP refinerías Concón.

Figura 2-9. Channel o canal del equipo C-309, Planta MHC-ENAP

b. Carcasa:

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Fuente: Archivo de Planos ENAP refinerías concón.

Figura 2-10. Carcasa del equipo C-309, Planta MHC-ENAP

c. Cabezal de carcasa:

En general existen dos tipos, los que van soldados directamente a la carcasa, y los que poseen un flange es decir se puede desmontar para facilitar el mantenimiento del equipo, estos últimos generalmente se utilizan cuando el haz tubular posee cabezal flotante. Dependiendo del servicio algunos presentan boquillas.

Fuente: Archivo de planos ENAP Refinerías Concón

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d. Haz tubular:

Consiste en una serie de tubos que pueden ser soportados en sus extremos por dos placas porta tubos o solo en una cuando se utilizan tubos en forma de “U”. Por el haz circula el fluido que ingresa por el channel. Existen los tubos aleteados con el fin de aumentar la transferencia de calor, estos son utilizado principalmente para los servicios de gas-gas o gas-liquido en donde el gas fluye por el exterior del tubo y los tubos lisos que son comunes para este tipo de intercambiadores y pueden ser de pared solida o de bimetal con el fin de resistir la acción corrosiva de ambos fluidos.

Fuente: Elaboración propia fotografía en terreno

Figura 2-12. Haz tubular del equipo C-136, Planta Topping II-ENAP

Fuente: Elaboración propia.fotogafia tomada en terreno

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2.3.2. Materiales

Las diferentes partes de un intercambiador de calor (tubo, carcasa, placa tubular, deflectores, channel, cabezal de carcasa, boquillas, etc.) pueden ser fabricadas del mismo material o de materiales diferentes. Todos los materiales de los componentes de los intercambiadores de calor son fabricados con los materiales especificados por el código ASME en sus secciones II y VIII, a excepción de las varillas tensoras , bafles y plato soportes, los cuales pueden ser fabricados de calidad comercial. En la tabla 1 se muestra los materiales que se usan para la fabricación de los intercambiadores, según servicio para el cual requieran ser utilizados, ya que cada material tiene propiedades para mitigar los mecanismos de deterioro que se presentan en los distintos servicios.

Tabla 2-1. Materiales

Servicio Temperatura ˚F Material

Vapores o líquidos no corrosivos -20 a 650 Acero al carbono

650 a 1000 Acero al C o baja aleación

Más de 1000 Acero baja aleación

Hidrogeno con presión > 90 PSI -20 a 400 Acero al carbono

Más de 400 Ver normas API

Hidrocarburos con H2S, sulfuros. -20 a 500 Acero al carbono

Más de 500 Acero al C , al 5%

cromo-05% Mo

Al 9 % Cr-1%Mo

Hidrocarburos con H2S, sulfuros y H2 -20 a 400 Acero al carbono

Más de 400 Acero al C, o acero

inoxidable.

Hidrocarburos con

HCL

Con inhibidor y

neutralizador

T< Punto de condensación Depende de operación

T> Punto de condensación Acero al carbono

Sin inhibidor ni

neutralizador

T< Punto de condensación Acero al carbono resistente

a la corrosión

T> Punto de condensación Acero al carbono

Gases de combustión con HCL, SO2,

SO3

T< Punto de condensación Especifico según el caso

T> Punto de condensación Acero al carbón

Soluciones de soda caustica -20 a 200 Acero al carbono

-20 a 500 monel

(40)
(41)

3. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

3.1. ¿QUÉ SON LOS ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS?

Los ensayos no destructivos 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”.

3.1.1. Definición de falla

La fuente de falla puede ser: a. Una discontinuidad.

b. Un material químicamente incorrecto.

c. 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 los ensayos no destructivos.

Por lo anterior, la mayoría de ensayos 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.

Para efectos de evaluación mediante ensayos no destructivos los términos irregularidad, imperfección, discontinuidad y falla son usadas indiferentemente, como sinónimos, para identificar algo que está presente en el objeto, parte o ensamble y que es cuestionable su presencia.

(42)

3.1.1.1. Discontinuidad

Una falla de continuidad o cohesión; una interrupción intencional o no intencional en la estructura o configuración física de un material o componente.

Se considera como discontinuidad a cualquier cambio en la geometría, huecos, grietas, composición, estructura o propiedades. Algunas discontinuidades de superficie, son intencionales en el diseño, y estas no requieren ser inspeccionadas.

Otras discontinuidades son inherentes en el material debido a sus 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 requieren destacar.

En general, existen dos clasificaciones de discontinuidades:

a. 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.

b. Por su ubicación:

Superficiales: Descritas porque se encuentran abiertas a la superficie. Internas: descritas porque no interceptan la superficie.

Otras clasificaciones de discontinuidades:

a. Relevantes: son aquellas que por alguna de sus características (longitud, diámetro, ubicación, forma, etc.) deben ser interpretadas, evaluadas y reportadas. b. No relevantes: Son aquellas que por sus características se interpretan pero no ser

evalúan, y que debieran ser registradas.

c. Lineales: Son aquellas con una longitud mayor que tres veces su ancho.

d. Redondas: son aquellas de forma elíptica o circular que tienen una longitud lineal o menor que tres veces su ancho.

3.1.1.2. Defecto

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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 o durante su funcionamiento.

3.1.1.3. Indicación

Es la respuesta o evidencia que se obtiene al aplicar algún ensayo no destructivo.

Se clasifican en tres tipos:

a. Indicaciones falsas: Una indicación que se interpreta como que ha sido producida por otra causa que no sea discontinuidad. Se presentan normalmente por la aplicación incorrecta del ensayo.

b. 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.

c. Indicaciones relevantes o verdaderas: Una indicación que se produce por una condición o tipo de discontinuidad que requiere evaluación. Son aquellas producidas por discontinuidades.

Al aplicar un ensayo no destructivo los técnicos observan indicaciones, por lo que se debe determinar cuáles son producidas por discontinuidades.

3.1.2. Clasificación de los ensayos no destructivos

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:

a. END Superficiales. b. END Volumétricas. c. END de Hermeticidad.

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3.1.4. Razones para el uso de ensayos no destructivos

Además de la detección y evaluación de discontinuidades, los END son usados para:

La medición de dimensiones. Detectar fuga y su evaluación.

Determinar localización y su evaluación. Caracterizar estructura o micro-estructura. Estimación de propiedades mecánicas y físicas. Identificar o separar materiales.

Uniformidad en la producción. Ahorro en los costos de producción. Eliminar materia prima defectuosa. Mejoras en los sistemas de producción.

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.

3.1.5. Factores para la selección de los ensayos no destructivos

Se considera que existen seis factores básicos involucrados en la selección de los END.

Las razones para efectuar el END.

Los tipos de discontinuidades que son de interés en el objeto.

El tamaño y la orientación de las discontinuidades que se necesitan detectar. La localización o ubicación de las discontinuidades que son de interés. El tamaño y la forma del objeto a inspección.

Las características del material que va a ser inspeccionado.

3.1.6. Clasificación y certificación del personal de ensayos no destructivos

Para aplicar las pruebas no destructivas se requiere:

La calificación del método de inspección utilizado – los END deben llevarse a cabo de acuerdo con procedimientos escritos, que en ciertos casos deben ser previamente calificados.

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que realiza, interpreta y/o evalúa los resultados de la inspección”. Por esto, los técnicos que ejecutan los END deben estar calificados y certificados.

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 END, además de uno nacional.

Estos programas son:

a. La práctica recomendada SNT-TC-1A, editada por ASNT. b. La norma ISO-9712, editada por ISO.

c. La Norma Mexicana NOM-B-482.

3.1.6.1. Niveles de calificación

a. Nivel I

Es el individuo calificado para efectuar calibraciones específicas para efectuar END específicos, para realizar evaluaciones específicas para 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.

b. 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, está 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.

c. Nivel III

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familiarizado con métodos de END comúnmente empleados; es responsable del entrenamiento y exámenes de nivel I y II para su calificación.

3.2. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR PARTÍCULAS MAGNÉTICAS

3.2.1. Fundamentos teóricos

Se denominará Imán a todo aquel cuerpo que tenga la propiedad de atraer otras sustancias llamadas ferromagnéticas. Esa característica de atracción se llama magnetismo y se debe a un efecto ejercido por el imán sobre otro cuerpo, al que transforma momentáneamente en un imán.

A toda sustancia que acuse los efectos de la proximidad de un imán lo llamaremos cuerpo magnético y se dividen en:

Ferromagnéticos: son fuertemente atraídos por un imán (Hierro, Níquel, Cobalto) Paramagnéticos: son levemente atraídos por un imán (platino, aluminio, cromo, potasio, estaño)

Diamagnéticos: son levemente repelidos por un imán (Plata, plomo, cobre, mercurio)

El campo magnético está conformado por el conjunto de todas las líneas de fuerza, cuyo número y forma depende del foco magnético o fuente que genero el campo.

Las líneas de fuerza son lazos cerrados que no se cruzan, buscan el camino de menor resistencia, tiene un sentido definido (dentro del imán van de sur a norte y fuera de él, de norte a sur), y se encuentra más densamente en los polos del imán, en donde entran o salen las líneas de fuerza.

Cuando se desee magnetizar un material es necesario conocer su ciclo de histéresis el cual nos da las características del mismo.

(47)

3.2.2. Fundamento del método

3.2.2.1. Campos de fuga

Si se tiene un imán herradura y se cierra hasta aproximar sus extremos y luego se cierra del todo, podemos ver que prácticamente desaparecen los polos, pero existe una pequeña cantidad de líneas de fuerza que se cierran a través del aire, llamadas flujo disperso el cual nos determina el campo de fuerza.

Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 1991

Figura 3-1. Campo de fuga

Si en un imán se efectúa un corte parcial, se forman dos polos opuestos y aparecerá en esa zona un campo de fuga, formado por las líneas de fuerza que salen de la barra y pasan a través del aire de un polo a otro.

Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 1991.

Figura 3-2. Flujo disperso por discontinuidad

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Por lo tanto el método de partículas magnéticas consiste en la detección de campos de fuga provocados por la formación de polos magnéticos a ambos lados de aquellas discontinuidades que interrumpan el camino de las líneas de fuerza permitiendo que estas escapen fuera de la misma, dando lugar al campo de fuga, dicho campo nos permite detectar la discontinuidad mediante un medio magnético, ósea partículas magnéticas que son atraídas por los campos de fuga, dando lugar a la indicación de la discontinuidad.

3.2.2.2. Ventajas y desventajas del método

a. Ventajas:

Es rápido y simple.

No son necesarias limpiezas sofisticadas, ni preparaciones especiales. Bueno para detectar fisuras superficiales y poco profundas.

Generalmente de bajo costo.

b. Desventajas:

El material debe ser ferromagnético, no funciona en materiales no magnéticos como ej.: Al, Mg, Pb, Ti, Bronce, etc.)

Las excesivas corrientes que son necesarias para magnetizar piezas grandes.

Calentamiento localizado y quemado de la superficie de la pieza cuando se utilizan puntas o pinzas con elevada circulación de corriente.

La Desmagnetización que puede ser necesaria con posterioridad. La detección solo de discontinuidades superficiales y sub-superficiales.

3.3. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR LÍQUIDOS PENETRANTES

El método de inspección por líquidos penetrantes está basado en el principio de capilaridad de los líquidos que permite su penetración y retención en aberturas estrechas, tiene un amplio campo de aplicación en la detección de defectos abiertos en la superficie (grietas, fisuras y poros), en metales ferrosos, no ferrosos, en materiales cerámicos, plásticos y vidrios que no sean porosos, ni presenten rugosidad excesiva o escamado.

(49)

una gran sensibilidad en la detección de fisuras (superior a la que se puede lograr con radiografía, ultrasonido o partículas magnéticas).

3.3.1. Principios básicos

El fundamento del método recibe en la capacidad de ciertos líquidos para penetrar y ser retenidos en fisuras, grietas, poros o huecos abiertos a la superficie de un material cuando son aplicados sobre la misma.

Esta capacidad depende principalmente de tres propiedades: mojabilidad o ángulo de contacto entre líquido y solido tensión superficial y viscosidad.

Al depositar una gota de líquido sobre una superficie se tendrá un punto en el cual se pueden considerar aplicadas tres fuerzas debidas a la tensión superficial; una correspondiente a la interface solida-aire (Fs), otra a la interface liquida aire (Fl) y la tercera a la interface liquida solido (Fls).

Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 1991

Figura 3-3. Tipo de mojabilidad de un líquido

Si la gota no se extiende en la superficie existirá un equilibrio entre las tres fuerzas.

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Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 1991.

Figura 3-4. Diferencia de mojabilidad entre agua y mercurio

Es necesario mencionar que para este método no solo es importante el valor de la interface liquida solido (Fls) o en contacto sino, también del estado superficial del sólido.

La relación entre ángulo de contacto, tensión superficial y viscosidad puede ser establecida mediante la observación del fenómeno de capilaridad.

Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 1991.

Figura 3-5. Muestra de capilaridad en distintos liquido

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equilibrio entre la resultante de las tensiones superficiales y las fuerzas inerciales, gravitacionales y viscosidad. Si el líquido no moja las paredes se producirá una depresión dentro del tubo, cuyo valor depende de las mismas fuerzas actuales.

Para que un líquido tenga un buen poder de penetración debe poseer baja tensión superficial, un pequeño ángulo de contacto y baja viscosidad.

Como resumen puede asumirse que la baja tensión superficial, bajo ángulo de contacto y baja viscosidad, contribuyen a una buena penetración si bien ellos por sí solo no definen un buen penetrante. La evaluación final de un líquido penetrante será obtenida mediante mediciones físicas de su sensibilidad de detección utilizando piezas normalizadas.

Además es necesario mencionar que las características anteriormente mencionadas del penetrante, debe sumarse la propiedad de ser removido fácilmente de la superficie en que se ha aplicado y quedar al mismo tiempo retenido firmemente en los defectos.

3.3.2. Ventajas y desventajas del método

a. Ventajas:

 Relativamente de bajo costo.

 Portátil.

 Interpretación bastante fácil.

 Detecta discontinuidades bastante pequeñas. b. Desventajas:

 Las partes deben estar perfectamente limpias.

 No detecta defectos sub-superficiales.

 No es adecuado para superficies porosas.

3.4. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR GAMMAGRAFÍA

3.4.1. Principio básico

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Por ejemplo, en el caso del cobalto 59 y el iridio 191, son estables en la naturaleza, colocándolos dentro de un reactor nuclear son bombardeados con neutrones forzando a incorporarse un neutro, originando el iridio 192 y el cobalto 60, empezando su decaimiento radioactivo produciendo rayos gamma útiles.

Los materiales radioactivos (radioisótopos) que se usan principalmente en los ensayos no destructivos, son: Cobalto 60 (CO60), iridio 192 (IR192), aunque en áreas especializadas usan cesio 137 (CS137) y Thulium 170.

Estos tipos de materiales se caracterizan por tener un periodo de decaimiento o desintegración en donde su actividad se reduce a la mitad, además estos son recomendables a utilizar según un rango de espesores, en la siguiente tabla se muestran estas características:

Tabla 3-1. Periodos de semidesintegración

Fuente: Curso protección Radiológica

3.4.2. Fundamento del método

Este método de inspección no destructivo, nos permite mostrar la presencia de posibles defectos o discontinuidades internas, para poder cuantificarlos.

Para esto es necesario que exista una fuente que emita algún tipo de radiación, la que permite hacer reaccionar la película radiográfica con el paso de la radiación sobre esta.

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Fuente: Tesis “Inspección a través de Ensayos no Destructivos”, Talcahuano 199

Figura 3-6. Fundamento del método

3.4.3. Interpretación de radiografías

Para poder realizar una buena interpretación o evaluación de posibles discontinuidades o defectos es necesario que la película cumpla con la calidad óptima, ya sea densidades, definición, etc.

Además de lo anteriormente mencionado con respecto a la calidad de la placa es importante que la persona que realiza la interpretación tenga el conocimiento del elemento o a que corresponde la radiografía, sus características técnicas (presión, fluido, etc.), especificaciones del cliente, normas que siguen a dicho elemento para poder realizar una buena aplicación de criterio permitiendo una correcta evaluación de este.

La persona que interpreta debe tener experiencia en la forma de cómo se presentan los defectos ya que muchas veces por manchas en las películas o ralladuras en su manipulación se producen confusiones.

3.4.4. Ventajas y desventajas del método

a. Ventajas:

 Se puede realizar en materiales metálicos, no metálicos y biológicos.

 Registro permanente en películas. Se pueden hacer comparaciones transcurrido el tiempo.

 La dirección de haz no es afectado esencialmente por la geometría de la pieza.

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b. Desventajas:

 Peligro de irradiación.

 No indica profundidad del defecto.

 Costoso, radioisótopo, equipos de rayos X, película.

 Profundidad de penetración limitada.

 Requiere acceso de ambos lados.

3.4.5. Seguridad radiológica

El principio básico de la protección contra la radiación es exponerse lo monos posible y controlar la radiación que es necesaria para la inspección requerida de tal manera que los niveles permisibles recomendados no sean excedidos, esto se logra con3 reglas básicas.

a. Tiempo: el tiempo de exposición se puede reducir por:

 El uso de película más rápida que aun satisfaga los requisitos de sensibilidad.

 Uso de la distancia más corta entre fuente y película.

b. Distancia: lo más alejado posible controlando los niveles de mediación a través de instrumentos como indicador FAG, Gamma Lux, etc.

c. Blindaje: es recomendable que los medios de transporte o en el caso de almacenamiento se realice en plomo y/o hormigón, ya que siempre que la radiación pase a través de materia su intensidad se reduce por el proceso de absorción.

Fuera de estas 3 reglas básicas es necesario tener en cuenta las recomendaciones que realiza la I.C.R.P. (International Comisión on Radiation Protection) en donde se indican las dosis máximas que pueden absorber tanto las personas que trabajan con elementos radioactivos o miembros del público:

a. Límites de dosis para trabajadores ocupacionalmente expuestas.

 5 Rem por año.

 0,4 Rem por Mes.

 0,1 Rem por Semana.

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b. Límites de dosis para miembros del público.

 0,5 Rem por año.

 0,04 Rem por Mes.

 0,01 Rem por Semana.

 0,25 mRem por hora.

Estos valores son máximos, no pueden superarse, si es posible se deben tomar valores más bajos, tan bajos como sea posible.

3.5. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR CORRIENTES DE EDDY

3.5.1. Principio básico

El método de corrientes de Eddy, opera bajo el principio de la inducción electromagnética, donde un campo magnético alternamente induce corriente sobre la pieza de ensayo si es de un material conductor.

Es un método de ensayo no destructivo ya que su aplicación no altera de ninguna manera las propiedades del objeto bajo estudio. Es una prueba netamente superficial, detectando defectos sub-superficiales cercanos a la superficie.

El patrón de corrientes inducidas y el campo magnético que necesariamente está asociado a ellas, están influenciados por diferentes características del material bajo prueba. Estas características pueden agruparse en tres grupos:

a. Detección de discontinuidades. b. Propiedades de los materiales. c. Mediciones dimensionales.

3.5.1.1. Detección de discontinuidades

La detección de discontinuidades se refiere a la localización de grietas, corrosión, erosión y/o daños mecánicos en la superficie de las piezas.

3.5.1.2. Propiedades de los materiales

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clasificación de aleaciones y otras condiciones metalográficas que requieren junto con las propiedades ya mencionadas equipos y arreglos de bobinas especiales.

3.5.1.3. Mediciones dimensionales

Las mediciones dimensionales comúnmente realizadas mediante la aplicación de corrientes inducidas, son la medición de espesores, con buena exactitud para espesores pequeños teniendo la desventaja de no ser precisos en espesores grandes, medición de espesores de revestimientos como pinturas o películas aislantes.

3.5.2. Ventajas y Desventajas

Con los años la tecnología de sonda y de procesamiento de datos han avanzado hasta el punto donde la prueba de corrientes de Eddy es reconocido por ser rápido, simple y preciso. La tecnología es ahora ampliamente utilizado en la industria aeroespacial, automotriz, petroquímica y en las industrias de generación energética, para la detección de defectos en la superficie o cerca de la superficie en materiales tales como aluminio, acero inoxidable, cobre, titanio, latón, e incluso al carbono (defectos en la superficie solamente).

a. Ventajas:

 Se puede conseguir una alta velocidad de escaneo m/s.

 Se puede conseguir la evaluación a diferentes profundidades mediante la medición a diferentes frecuencias.

 No se necesitan consumibles químicos.

 Rápida, sencilla y fiable técnica de inspección para detectar defectos en la superficie y cerca de la superficie en el material conductor.

 Se puede utilizar para medir la conductividad eléctrica de material y la medición de recubrimiento no conductor.

 De inspección de agujeros con el uso de alta velocidad de rotación de la sonda y la superficie del escáner.

b. Desventajas:

 Se requiere un gran entrenamiento para calibrar y operar el equipo.

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 Generalmente la bobina de prueba debe diseñarse en especial para una pieza específica.

 La profundidad de la inspección está limitada a aproximadamente 6 [mm] de penetración y depende de la frecuencia elegida para excitar el campo electromagnético y el tipo de material que se esté inspeccionando.

 La señal es sensible a las diferencias de composición y estructura del material lo que enmascara pequeños defectos o proporciona indicaciones falsas.

3.6. MÉTODO DE INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO

3.6.1. Principios básicos

El ultrasonido no es diferente, en sus características fundamentales, del sonido que se puede percibir a través del oído humano. Son ondas acústicas de idéntica naturaleza. Pero, ¿Qué sucede en la materia a través de la cual se propaga el ultrasonido?

Fuente: Curso UT nivel 2 ENAP 2015

(58)

Para responder a la pregunta anterior, en primer lugar vamos a suponer que la materia se compone de pequeñas partículas que se encuentran unidas entre sí por medio de fuerzas elásticas.

Siendo así, es factible que pueda existir movimiento de dichas partículas a partir de su posición fija. Basándose en lo anterior, si una de estas partículas se empuja, comienza a oscilar y comunica su energía a las partículas vecinas.

Por lo tanto, la energía se propaga a través de las partículas individuales de la materia. El número de oscilaciones o vibraciones de las partículas indica si se trata de sonido perceptible por el oído humano o de ultrasonido. En el sonido perceptible el número de oscilaciones se encuentra en un rango de entre 16 a 20.000 ciclos/segundo. Por lo anterior, estos 20.000 ciclos/segundo. Son el límite entre el sonido perceptible y el ultrasonido, este valor ha sido fijado arbitrariamente.

En la inspección de materiales por ultrasonido las frecuencias son, por lo general, notablemente más elevadas y varias entre 0,5 y 25 millones de ciclos/segundo. Sin embargo, existen aplicaciones para frecuencias tan bajas como 25.000 ciclos/segundo y tan altas como 200 millones de ciclos/segundo.

Con frecuencias mayores a 100.000 ciclos/segundo, y gracias a su energía, el ultrasonido forma un haz similar a la luz, por lo que puede ser usado para rastrear el volumen de un material. El ultrasonido cumple con algunas reglas físicas de óptica por lo que puede ser reflejado, refractado, difractado y absorbido.

Fuente: Curso UT nivel 2 ENAP 2015

Figura 3-8. Ondas acústicas

3.6.2. Inspección por ultrasonido

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“El ultrasonido se transmite y se propaga dentro de una pieza hasta que es reflejado; el ultrasonido reflejado regresa a un receptor proporcionándole información acerca de su recorrido; la información proporcionada se basa en la cantidad de energía reflejada del ultrasonido y en la distancia recorrida por el ultrasonido”.

El principio físico en el que se basa la inspección por ultrasonido es el hecho que los materiales diferentes presentan diferentes “Impedancias acústicas”.

3.6.3. Sistema de inspección ultrasónica

Cuando se lleva a cabo una inspección por ultrasonido industrial, tanto para la detección de fallas como para la medición de espesores, se requiere del uso de un sistema de inspección ultrasónica, que consiste de los componentes básicos siguientes:

a. Un generador de la señal eléctrica, un instrumento ultrasónico, b. Un conductor de la señal eléctrica, un cable coaxial,

c. El accesorio que convierte la señal eléctrica en mecánica y/o viceversa, un transductor ultrasónico,

d. Un medio para transferir la energía acústica a la pieza y viceversa, el acoplante acústico, y

e. La pieza a inspeccionar.

Fuente: Curso UT nivel 2 ENAP 2015

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