Inspección en servicio de ejes mediante examen ultrasónico avanzado: Tecnología ShafTest
Ernesto Pérez
Bureau Veritas
INTRODUCCIÓN
El fallo en servicio de ejes constituye uno de los incidentes productivos con mayor afección a la seguridad de las personas, y que más costes económicos puede provocar a causa de la propia parada productiva y los elementos dañados de forma secundaria a la rotura principal. El orden de magnitud, derivado de una parada no planificada en los sistemas de carga de un buque mercante, por ejemplo, puede alcanzar cifras en millones de euros.
Las estrategias de control de ejes se basan generalmente en métodos de ensayos no destructivos superficiales como partículas magnéticas y líquidos penetrantes, o métodos volumétricos de ultrasonidos manuales. En ambos casos se requiere el acceso a la superficie crítica en la que pueda nuclearse una grieta, y, por tanto, se necesita el desmontaje completo del equipo y accesorios, lo que supone un proceso inviable como técnica de mantenimiento predictivo.
El presente artículo introduce la tecnología ShafTest de inspección del estado de ejes y pernos, desarrollada para prevenir su fallo crítico en servicio. ShafTest es una tecnología portátil, para la inspección de ejes en servicio sin desmontar el componente, basada en los principios de la inspección ultrasónica.
Mediante el sistema ShafTest se realiza la inspección exclusivamente desde las cabezas de los ejes, desde uno o ambos extremos, requiriendo un mínimo desmontaje. Así por ejemplo, en la inspección de ejes ferroviarios, se requiere exclusivamente el desmontaje de las cajas de grasa, pero no de los bogies, rodamientos, o del resto de componentes.
La técnica ShafTest fue desarrollada por un grupo de ingenieros de Bureau Veritas dirigidos por el Dr. Guy Cotterill, en un proyecto financiado por el Australian Coal Association Research Program (ACARP), apoyado a su vez por la industria australiana del carbón.
Aunque en su origen la aplicación nació para dar servicio en las maquinarias pesadas de la minería extractiva del carbón, ShafTest ha demostrado su efectividad y aplicabilidad en otros sectores industriales en los que puedan encontrarse elementos mecánicos de responsabilidad del tipo ejes y pasadores.
ShafTest
El sistema de inspección Shaftest consiste en un método de inspección por ultrasonidos especialmente diseñado para mejorar la confiabilidad de los métodos de inspección tradicionales, facilitando su interpretación mediante una generación tridimensional del eje y sus defectos.
El sistema recopila información del eje en la fecha de la inspección que es reproducible en cualquier momento, y que posibilita, por tanto, la comparación directa de resultados entre inspecciones realizadas en diferentes instantes temporales, permitiendo monitorear los cambios y evoluciones de las indicaciones encontradas.
Incorpora además una herramienta de análisis gráfico que favorece la evaluación rápida in situ y la identificación inmediata de grietas avanzadas, mientras que el almacenamiento de los datos permite una interpretación posterior y detallada de señales complejas.
ShafTest proporciona también una mayor fiabilidad en la detección de grietas incipientes, y una probabilidad de detección de defectos (POD) más alta que las pruebas ultrasónicas manuales. En resumen, permite planificar con mayor eficiencia tanto las operaciones de inspección como las de mantenimiento, reduciendo los costes de sustitución de ejes y evitando que las roturas se produzcan en servicio.
FUNDAMENTOS DE LA TÉCNICA ULTRASÓNICA
Las técnicas de inspección ultrasónicas son utilizadas en una amplia variedad de aplicaciones industriales. La inspección de materiales mediante ultrasonidos se fundamenta en la generación, transmisión y propagación de una onda mecánica en el componente que se desea inspeccionar, para determinar el estado de ese componente en función del comportamiento de esa onda.
Las ondas empleadas presentan frecuencias superiores a las ondas sonoras, de ahí su nombre de ultrasonido, en una banda aproximada en general de 1 a 5 MHz cuando se estudian materiales metálicos.
Microscópicamente, la propagación de una onda mecánica consiste en una vibración de los átomos y moléculas del medio, en torno a su posición de equilibrio, que va propagándose secuencialmente a las moléculas adyacentes, consiguiendo de esta forma avanzar y recorrer cierta distancia hasta su atenuación en un medio elástico.
Esta perturbación, la señal acústica en sí misma, hay que entenderla como una propagación de energía, en forma de pequeños cambios locales de presión que se sigue un comportamiento determinado, pero sin movimiento o transporte de materia.
Tanto la densidad, como las propiedades elásticas del material, módulo de Young y coeficiente de Poisson, condicionan la velocidad de la onda dentro del material, y al mismo tiempo las características físicas de la señal ondulatoria, como su frecuencia y longitud de onda (C = f·l). Estas propiedades, junto con el conocimiento de las leyes de reflexión y propagación de ondas nos permitirán predecir el comportamiento o la forma en la que la onda se propagará dentro del material, y la variación de este comportamiento teórico respecto al real, permite intuir la presencia de indicaciones o defectos en la pieza.
La señal ultrasónica en el material se propagará hasta encontrar un obstáculo, en general una interfase entre dos medios, que provocará su reflexión y retorno. Esta interfase podrá ser tanto la pared final del eje, como una característica geométrica o la superficie de una grieta.
Tradicionalmente, la inspección de ejes se lleva a cabo mediante métodos manuales de inspección por ultrasonidos, que a pesar de requerir de personal cualificado de elevada competencia, es una tarea difícil debido a la complejidad en la interpretación de las señales obtenidas por el sistema. Esto es debido a que los ecos respuesta a interpretar van a poder ser provocados tanto por grietas reales, como por las características de la propia geometría del componente, lo que convierte este análisis en desafiante para el técnico: la geometría variable de un eje, con diferentes cambios de sección, taladros o pasadores, van a provocar la reflexión de parte de la señal devolviendo ecos reales que presentarán en pantalla un mapa de ecos complejo, muy poco intuitivo de interpretar sin ayudas electrónicas.
CONVERSIÓN DE MODO
Una exploración teórica por ultrasonidos, mediante palpadores normales de ondas longitudinales, proporcionaría una representación gráfica o A-Scan similar a la esquematizada. La onda longitudinal es transmitida, con un adecuado medio acoplante desde el palpador hasta el material, viajando la parte principal de la señal longitudinalmente al eje en línea recta hasta encontrar la superficie del otro extremo de la pieza, sobre la se reflejaría y volvería al palpador.
De esta forma, en la pantalla del equipo encontraríamos una señal principal generada por la energía acústica reflejada en su mayor parte en la pared de fondo, apareciendo a una distancia determinada del eje horizontal del A-Scan, correspondiente precisamente a la longitud del eje. A priori, cualquier eco que aparezca antes se corresponderá con una característica geométrica del eje o un defecto.
Otro proceso físico que complica el análisis es la conversión del modo de transmisión de una onda. En componentes con elevada relación de esbeltez longitud/diámetro, como son los ejes, un porcentaje de la onda longitudinal generada por el palpador, debido a la difracción provocada por la estructura del material, se desvía y adquiere cierta inclinación respecto al eje de emisión de la señal, y así la reflexión sobre las paredes laterales de estas ondas (generalmente a partir de 80º de ángulo de contacto) generará una conversión del modo de propagación original de onda longitudinal, con velocidades en el torno de 5.900 m/s en acero, a ondas cortantes con la mitad de velocidad de propagación. Esta diferencia de velocidad, y la distinta trayectoria, hará que la señal adquiera una demora en la recepción final de la señal en el palpador, en una posición en pantalla en la que el operador no espera recibir respuesta.
Tanto las señales reflejadas desde el fondo del eje, como las procedentes de ciertas singularidades geométricas de la pieza, pueden haber sufrido un proceso intermedio de conversión de modos, generando, por tanto, un mapa de ecos en pantalla mucho más complejo del inicialmente previsto, y de difícil interpretación.
APLICACIÓN DE LA TÉCNICA ShafTest
El sistema ShafTest está compuesto por el equipo principal generador/receptor de las señales acústicas alimentado por batería, y sus accesorios (palpador, cable, bloque de ajuste y acoplante), conectados al ordenador portátil, en el que está instalado el software de manejo y sobre el que se visualizan los resultados.
Los ejes se ensayan preferentemente desde los dos extremos, mediante una exploración de la superficie del eje con un palpador de ondas longitudinales situado en ciertas posiciones conocidas y previamente preestablecidas por el software Shaftest.
El ajuste de la sensibilidad del sistema se realiza buscando la potencia acústica que proporcione un eco de fondo al 80% SH de altura de pantalla, en una zona central de la pieza, evitando características geométricas lógicamente, pero también el centro de la misma por la mayor atenuación que puede producirse en esa zona debido a una no homogénea estructura de grano metalúrgico.
Como paso previo, sobre el extremo del eje se realiza una cuadrícula regular, desde la que se captan A-Scan longitudinales en cada posición X-Y de la cuadrícula, recopilando la información de la máxima señal acústica recibida para cada posición de rejilla. Una vez completada la captación desde cada punto, se genera de esta forma un mapa ultrasónico de todo el volumen del eje, denominado V-Scan, que contiene la información del estado de la pieza.
En función del diámetro del eje, y del tamaño del palpador empleado, se define la rejilla más adecuada que asegure la máxima resolución posible (cuantos más puntos, mayor definición) y, por otro lado, se garantice el solapamiento del haz acústico entre distintas posiciones del palpador (a menor diámetro del palpador, menor tamaño de la unidad de la rejilla).
Una vez definido el eje a ensayo, se ajusta la sensibilidad del equipo en función del material y su longitud, realizándose la verificación y ajuste del sistema sobre un bloque de referencia, para proceder a captar datos de escaneos normales sobre toda la longitud del componente.
Con objeto de evitar incertidumbres por señales variables de ruido de fondo el equipo capta varias mediciones desde cada posición, realizando una operación de promediado para distinguirlas. De la comparación de resultados entre varios A-Scan realizados a distintos niveles de potencia acústica, puestos en correlación con el conocimiento de la geometría del eje introducido en el sistema, se consigue distinguir entre distintas indicaciones procedentes, por ejemplo, de características geométricas o conversiones de modos, de las verdaderas indicaciones sospechosas de proceder de un defecto real, facilitando la interpretación, y reduciendo la incertidumbre proveniente del criterio del técnico responsable del examen.
En el software de control, el primer paso previo a la inspección, durante la planificación de la misma, es precisamente crear las características técnicas del eje, que servirán de base para la interpretación de las señales obtenidas durante el examen.
El software genera una base de datos de ejes, clasificables por tipo, por cliente, etc. permitiendo asociar a cada uno de ellos planos e imágenes con las características y singularidades que presenten, además de la información concreta de su longitud, diámetros y material, sobre el que el equipo determinará los distintos parámetros necesarios como la velocidad de propagación del sonido.
Para facilitar la inspección y la interpretación de resultados, el equipo permite la generación de modelos bidimensionales y tridimensionales del eje inspeccionado, a partir de información básica de archivos jpg, por ejemplo, o de planos con mayor nivel de detalle en CAD.
El rango de medida de la escala de tiempos del equipo (eje horizontal de distancias) se elige ligeramente superior (20%) a la longitud real del eje, para garantizar que el primer eco de fondo está presente en pantalla, ajustando los filtros del equipo a la frecuencia de inspección utilizada, para minorar el ruido eléctrico de fondo.
Tras finalizar el recorrido de exploración, podremos visualizar la posición espacial del eje y sus defectos en vista 3-D, y movernos sección a sección sobre toda la longitud del eje para conocer la extensión de las indicaciones detectadas.
SUMARIO
La técnica ShafTest es un método de examen ultrasónico que permite la inspección de todo el volumen de un eje, accediendo solamente desde las superficies extremas del componente.
Ha demostrado efectividad en su aplicación al mantenimiento predictivo de activos en sectores diversos como el ferroviario, el eólico o la minería extractiva, y en general en sistemas en que se presenten ejes de alta responsabilidad para el funcionamiento de un equipo.
Entre las características de mayor relevancia cabe señalar:
- Permite el ensayo del eje sin requerir su desmontaje, accediendo únicamente a los extremos del mismo.
- El software de análisis permite contrastar la señal obtenida desde posiciones distintas, identificando así la causa de las respuestas recibidas y discriminar los verdaderos defectos de las características geométricas del eje o de las conversiones de modo.
- Permite el almacenamiento de datos de la inspección, reproducibles en cualquier momento para la comparación directa de resultados entre distintas pruebas y monitorear cambios de estado.
- Mayor probabilidad de detección (POD) de defectos respecto a los métodos manuales de inspección por ultrasonidos.
- Capacidad de detección de grietas en fase incipiente, permitiendo una planificación de mantenimiento más eficiente, y evitando costosos fallos inesperados.
REFERENCIAS
- Recent Developments in UT Diagnostic Technology. MATSUMOTO Chitoshi. JFE TECHNICAL REPORT No. 25 (Mar. 2020)
- A new approach to ultrasonic inspection of shafts. Dr. Guy Cotterill, Mr. John Perceval.
- https://www.hbrmag.com.au/article/read/locally-developed-technology-gains- overseas-markets-760
