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Determinación de pérdidas de espesor en materiales
ferromagnéticos utilizando la densidad de campo magnético
Ing. Claudio Alberto Carballal y Aroldo Jesús Claus Universidad Tecnológica Regional Delta
Grupo de Ensayos No Destructivos Campana, Buenos Aires (2804), Argentina,
[email protected] , [email protected]
Resumen
Tanto en la fabricación como en la utilización de productos tubulares o macizos ferromagnéticos pueden presentarse variaciones (o pérdidas del espesor de material), mayores a los permitidos por los estándares o normas de fabricación (o de servicio).
Con las nuevas tecnologías en la fabricación de sensores Hall para la medición de la densidad de campos magnéticos, es posible determinar las variaciones del espesor o pérdida de masa, monitoreando los cambios en la densidad de campo magnético cuando el producto pasa por una bobina en la que está induciendo un campo magnético continuo.
Los equipos utilizados en la industria para inspección de material ferromagnético tubular usualmente constan de un sistema de inspección electromagnética (EMI) por flujo disperso para la detección de imperfecciones (fisuras, grietas) orientadas longitudinalmente o transversalmente ya sean externas o internas cuando el espesor de estos productos es menor a 10 mm.
Cuando se desea monitorear las variaciones de espesor producidas por corrosión o desgaste por rozamiento se puede implementar un sistema con una fuente de rayos gamma, por ejemplo Cesio 137, donde el haz se hace incidir sobre un detector de radiación (centelleo) pasando primeramente por la pared del material y, de acuerdo a la radiación recibida, obtenemos una medida de espesor remanente de producto tubular. Entre las desventajas de este método, se encuentran: los problemas asociados al manejo de materiales radiactivos, el cumplimiento con las legislaciones vigentes de los entes de regulación nuclear, así como la imposibilidad de alcanzar una cobertura del 100%.
Otro método utilizado para la determinación del espesor de pared es la inspección ultrasónica donde se rota el material (o el cabezal) con los transductores ultrasónicos
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asociados. Entre los inconvenientes de éste método se encuentran: una menor velocidad de inspección, así como los problemas relacionados con el acoplamiento entre el tubo y los transductores. Los problemas de acoplamiento toman especial dimensión cuando se trata de inspeccionar material usado, impidiendo en muchos casos, la inspección por ultrasonido.
El presente trabajo evidencia los excelentes resultados obtenidos en la determinación de las variaciones de espesor o pérdida de masa en tubos y varillas ferromagnéticas utilizada en la industria del petróleo con el sistema de medición de la densidad de campo magnéticos.
Introducción
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor, se establece un campo magnético dentro y alrededor del conductor (Ley de Ampere; la intensidad del campo magnético resulta proporcional a la intensidad de la corriente aplicada al conductor.
Para el caso de una bobina tendremos una densidad de campo magnético distribuido dentro de la bobina y fuera de ella.
Las líneas de campo magnético eligen la trayectoria de menor resistencia, forman siempre lazos cerrados y nunca se cruzan entre ellas. No es posible medir directamente la intensidad del campo magnético en los materiales ferromagnéticos, solo podremos realizar mediciones en el aire cerca de las caras de la bobina o en las proximidades de la pieza bajo ensayo.
Cuando hacemos pasar corriente eléctrica en una bobina, las líneas de campo realizarán trayectorias cerradas alrededor de la bobina y perpendiculares a la corriente de excitación. (Figura 1)
Cuando se inspeccionan materiales ferromagnéticos, como un tubo o una varilla, donde el material se inserta en el campo magnético creado por la bobina, parte de las líneas magnéticas atravesaran el material (ya que al ser éste ferromagnético le ofrece una trayectoria de menor reluctancia), de acuerdo a la configuración de bobina, el factor de llenado y ubicación del tubo en la bobina, tendremos una relación de densidad de campo magnético material / aire que dependerá de la permeabilidad del material así como de la masa de material ferromagnético insertada en la bobina. (Figura 2)
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Figura 1 Distribución de las líneas de CM en
aire
Figura 2 Distribución de las líneas de CM en aire y material
Cuando el material presente una disminución abrupta o gradual de la masa ferromagnética, ya sea por algún desgaste producido por corrosión, abrasión, rozamiento, etc., cambiará la relación de densidad de líneas de campo magnético entre el material y el aire (anomalía magnética) (Figura 3). La intensidad del campo magnético aplicado que estaremos trabajando será de una magnitud aproximadamente igual al 70% de la saturación del material.
Figura 3 - Cambio de la distribución densidad de CM debido a la presencia de una perdida de masa
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Medición de la pérdida de masa ferromagnética o espesor de pared.
En los sistemas por flujo disperso para la detección de defectos orientados longitudinalmente y transversalmente se utilizan pequeñas bobinas o sensores halls que usualmente barren una superficie determinada aproximadamente por el área del sensor. Estos se sitúan a distancias muy próximas a la pieza bajo ensayo, siendo estas distancias menores al milímetro, (Figura 4).
La característica principal de estos sistemas es que la mejor detección ocurre cuando hay una variación brusca de la permeabilidad del material, por ejemplo una fisura.
Estos sistemas de inspección no sirven cuando tenemos variaciones graduales de espesor o masa ya que el flujo disperso generado por estas anomalías, es inferior a los umbrales ajustados en la detección de fisuras o cortes abruptos.
Figura 4 - Configuración básica de un sistema por flujo disperso
Para los casos de los sistemas de medición de espesor o monitoreo de pérdidas de masa ferromagnética, ya sean graduales o abruptas, se utilizan sensores Halls, estos son dispositivos semiconductores que se alimentan o se polarizan con una fuente de tensión continua (DC). La tensión de salida es proporcional al campo magnético que lo atraviesa.
Se colocan a una cierta distancia entre la superficie interna de la bobina y la superficie externa del tubo en forma de anillo para lograr una cobertura de 360 grados. (Figura 5 y Figura 6)
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Figura 5 - Disposición de los sensores Hall
Figura 6 – Sistema utilizado en la medición
Antes de colocar el material, tendremos una densidad de campo magnético en aire que determinará nuestro nivel de referencia. Al insertar el material, un gran número de líneas de campo magnético se concentraran en la pared del tubo o material, ya que éste ofrece menor reluctancia, bajando así la densidad de campo magnético que estaban sensando los detectores Halls en aire, cuando se produce una disminución del espesor (o pérdida de masa), aumentará la densidad de campo magnético en el aire, incrementando la tensión de los Hall. (Ver figura 3)
Mediciones realizadas
Los 4 sensores Hall (UGN 3503) se conectaron a una etapa amplificadora realizada con amplificadores operacionales de instrumentación AD622. Estas señales analógicas fueron digitalizadas por una placa National Instrument de 16 bits y la presentación de la información (gráficos) se realizó utilizando el software Labview.
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La bobina de magnetización fue excitada con corriente continua y se midieron con un gausímetro los valores de la densidad de campo magnético en los puntos 1 y 2 según la figura 5.
Tabla 1: Valores de campo magnético de acuerdo a la corriente de magnetización
Corriente en bobina
Medición Punto 1
Medición Punto 2
2,4 Amp 184 gauss 290 gauss
Se realizaron las mediciones sobre un tubo de diámetro 48,40 mm x 5,60 mm con defectos artificiales.
1. Pérdidas puntuales de masa del orden del 6% tanto internas como externas que simulan corrosión localizada. (Figura 7). Los resultados se presentan en las figuras 8 y 9.
Figura 7 - Tubo de prueba con defectos maquinados
Figura 8 – Grafico de las señales obtenidas – Pérdida de masa interna
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Figura 9 -Grafico de las señales obtenidas – Pérdida de masa externa
2. Una disminución gradual de espesor, donde la pérdida total de masa era del 20%. Figura 10. Los resultados se presentan en las figuras 11
Figura 10 - Tubo de prueba con pérdida de masa gradual
Figura 11 - Pérdida gradual del 20% del espesor
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Aplicación a Varillas de bombeo ( materiales macizos)
Se aplicó el mismo procedimiento con una varilla de bombeo de OD 3/4”, con un desgaste del 20% del área transversal total de la varilla clasificada como clase 2 según el estándar API 11 BR, observándose las siguientes señales:
Figura 12 - Pérdida del 20% del área total sobre una generatriz
Figura 13 - Pérdida de los 20% del área total sobre dos generatrices
Figura 14 - Pérdida de los 20% del área total sobre cuatro generatrices
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Conclusiones
Para los sistemas electromagnéticos de medición de espesor o evaluación pérdida de masa tenemos las siguientes características:
A. Un 20% de pérdida de material por amolado producirá indicaciones de mayor amplitud que un agujero pasante de calibración 3,2 mm.
B. Dos ranuras con una pérdida correspondiente al 20 % de la masa de material será prácticamente igual a una pérdida de material del 40 %.
C. Es más sencillo detectar una pérdida de espesor correspondiente a un 5 % en un material de pequeño diámetro que una pérdida del 10 % en un material de gran diámetro (con igual espesor), debido a que la relación pérdida de espesor a sección transversal es mayor para el caso de tubos pequeños.
D. En junturas o soldaduras donde exista diferencia de permeabilidad obtendremos indicaciones angostas.
E. Se puede aplicar este ensayo a materiales ferromagnéticos que están dentro de otro material ferromagnético, ejemplo de una varilla de bombeo dentro de un tubing en una operación de pulling.
F. Un capacitor en circuito de salida elimina la componente de tensión continua que proporcionan los halls, además de presentarnos la derivada de la salida con lo cual el sistema detectará los cambios abruptos de las pérdidas de área así como los cambios de permeabilidad.
G. Este método no necesita ningún tipo de acoplamiento especial ni que los sensores estén sometidos a rozamiento alguno.
Limitaciones del método
A. No detecta fisuras internas ni externas ya que en este tipo de discontinuidades no hay una pérdida considerable de masa.
B. Para polarizar los sensores Hall se necesita contar con fuentes de corriente continua lo más estables posible.
C. La fuente magnetizadora debe ser de continua ya que si es pulsante se deberán utilizar filtros especiales en el acondicionado de las señales a medir, los cuales encarecen el sistema y el desarrollo, además del efecto pelicular asociado a las corrientes variables en el tiempo.
D. No se puede aplicar a materiales que están a altas temperaturas por limitaciones de la electrónica de los sensores Halls.
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Futuros Trabajos
Modelización de las variaciones de la densidad de campo magnético en el área de la bobina cuando es modificado por una anomalía magnética con el software Maxwell 2D a través del método de elementos finitos para la resolución de ecuaciones electromagnéticas en dos dimensiones.
Agradecimientos
Los autores agradecen la colaboración brindada a las empresas AICO SA ubicada en Plaza Huincul, Prov. del Neuquén y AUDITEC Argentina SA ubicada en Ciudad de Campana, Prov. de Buenos Aires.
Bibliografía
1. Using Magnetic Flux Density To Identify Anomalies In Pipe Wall Thickness, William Walters, EE y David Steely de Scan Systems Corporation.
2. Electromagnetic wall monitoring IPIA, W.D Averitt New Tech System
3. Observations on Magnetic Wall Measurements of Coiled Oilfield Tubing, by Roderic K. Stanley
4. Overview of the Nondestructive Inspection Techniques for the Evaluation of Coiled Tubing and Pipe, Stanley, R.K., " Materials Evaluation, Vol. 54
