Monografias | Ensayos no destructivos en materiales metálicos - Caso práctico de radiografía y gammagrafía industrial

Indice
1. Fundamentos teóricos del ensayo radiográfico
2. Desarrollo del Ensayo
3. Bibliografía consultada

1. Fundamentos teóricos del ensayo radiográfico

Definición y origen de los rayos-X
Se trata de una radiación electromagnética penetrante, con una longitud de onda menor que la luz visible, producida bombardeando un blanco —generalmente de wolframio— con electrones de alta velocidad. Los rayos X fueron descubiertos de forma accidental en 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Roentgen mientras estudiaba los rayos catódicos en un tubo de descarga gaseosa de alto voltaje. A pesar de que el tubo estaba dentro de una caja de cartón negro, Roentgen vio que una pantalla de platinocianuro de bario, que casualmente estaba cerca, emitía luz fluorescente siempre que funcionaba el tubo. Tras realizar experimentos adicionales, determinó que la fluorescencia se debía a una radiación invisible más penetrante que la radiación ultravioleta. Roentgen llamó a los rayos invisibles "rayos X" por su naturaleza desconocida. Posteriormente, los rayos X fueron también denominados rayos Roentgen en su honor.

Naturaleza de los rayos-X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración. Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se solapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X ‘blancos’, para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz visible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de núcleos excitados. El espectro de difracción de la luz se observa en la figura 1.

fig. 1 – Espectro de difracción de la luz

Los rayos X se producen siempre que se bombardea un objeto material con electrones de alta velocidad. Gran parte de la energía de los electrones se pierde en forma de calor; el resto produce rayos X al provocar cambios en los átomos del blanco como resultado del impacto. Los rayos X emitidos no pueden tener una energía mayor que la energía cinética de los electrones que los producen. La radiación emitida no es monocromática, sino que se compone de una amplia gama de longitudes de onda, con un marcado límite inferior que corresponde a la energía máxima de los electrones empleados para el bombardeo.

Tubo de rayos-X
Carcasa protectora: el tubo de rayos X, siempre está montado en una carcasa protectora, formada de plomo, y diseñada para controlar los serios peligros que afectaron a la radiología en sus principios, (exposición excesiva a la radiación, descarga eléctrica). La carcasa protectora proporciona también un soporte mecánico al tubo de rayos X, y lo protege frente al posible daño producido por la manipulación descuidada. Cuando se producen, los rayos X son emitidos con la misma intensidad en todas las direcciones, pero nosotros solo empleamos los emitidos a través de una sección especial del tubo de rayos X, llamada ventana. Los rayos X emitidos a través de la ventana se conocen como haz útil, los restantes que se escapan a través de la carcasa protectora son, la radiación de fuga.
La carcasa protectora, alrededor de algunos tubos de rayos X, contiene aceite que actúa como aislante técnico y refrigerador.
Envoltura de cristal: el de rayos X, es un tipo especial de tubo de vacío, los componentes del tubo se encuentran dentro de una envoltura de cristal. Esta envoltura, que debe de ser fabricada de un vidrio que pueda soportar el tremendo calor generado, mantiene el vacío, lo cual hace posible una producción mas eficaz de rayos X, y prolonga la vida del tubo. Si estuviera lleno de gas, disminuiría el flujo de electrones que van del cátodo al ánodo, se producirían menos rayos X y se crearía mas calor. La ventana del tubo es de un cristal mas fino que deja filtrar los rayos X. Es un segmento que permite una máxima emisión de rayos X con absorción mínima por la envoltura de cristal.
Cátodo: parte negativa del tubo de rayos X, tiene dos partes principales: el filamento y la copa de enfoque.
Filamento: es una espiral de alambre que emite electrones al ser calentado. Cuando la corriente que atraviesa el filamento es lo suficientemente intensa, de aproximadamente 4 a 5 Ampere o superior, los electrones de la copa externa del filamento entran en ebullición y son expulsados del filamento, este fenómeno se conoce como emisión termoiónica. Los filamentos suelen estar formados por Tungsteno Tórico, el Tungsteno proporciona una emisión termoiónica mayor que otros metales. Su punto de fusión es de 3410 °C, de forma que no es probable que se funda con el calor, además no se evaporiza, puesto que si lo hiciera el tubo se llenaría rápidamente de gas. La adición de un uno a un dos por ciento de Torio al filamento de Tungsteno, incrementa la eficacia de la emisión de electrones y prolonga la vida del tubo.
La copa de enfoque es un refuerzo metálico del filamento, condensa el haz de electrones en un área pequeña del cátodo. La efectividad de la copa de enfoque depende de tres factores:
1- La corriente del filamento que regula la cantidad de rayos X de salida.
2- El tamaño del filamento impone el tamaño del foco efectivo que se produce en el ánodo. Los tubos de rayos X suelen llevar dos filamentos de diferente tamaño, que proporcionan dos puntos focales; el punto focal de tamaño pequeño se asocia con el filamento menor y se emplea cuando se necesitan imágenes de alta resolución. El punto focal de tamaño grande se asocia con el filamento mayor y se emplea cuando se necesitan técnicas que produzcan gran cantidad de calor.
3- La situación de uno u otro suele hacerse con el selector que se encuentra en la consola de control.
Anodo: es el lado positivo del tubo de rayos X, existen dos tipos: estacionarios y rotatorios
El ánodo tiene tres funciones en el tubo de rayos X:
1- Es un conductor eléctrico
2- Proporciona soporte mecánico al blanco.
3- Debe ser un buen conductor térmico, cuando los electrones chocan con el ánodo, más del 99% de su energía cinética se convierte en calor, que debe ser eliminado rápidamente antes de que pueda fundir el ánodo. El cobre es el material más utilizado en el ánodo.
Punto focal: es el área del blanco desde la que se emiten los rayos X. Constituye la fuente de radiación.
Blanco: es el área del ánodo con la que chocan los electrones procedentes del cátodo. En los tubos de ánodo estacionario, el blanco consiste en una pequeña placa de tungsteno que se encuentra encastrado en un bloque de cobre. En los tubos de ánodo rotatorio, el disco que gira es el blanco, normalmente esta formado por una aleación de Tungsteno mezclada con Torio, que proporciona una resistencia adicional para soportar el esfuerzo de la rotación rápida.
El Tungsteno es el material elegido para el blanco.
Equipo de rayos-X utilizado en la práctica
En la figura 3 se observa el dispositivo utilizado para la realización de la práctica radiográfica.
Se trata de un equipo marca Philips, cuya capacidad de tensión es 200 KV, y una generación de corriente de 5 mA.

figura 3 – Equipo de generación de rayos-X

Definición y origen de los rayos gamma
Se puede definir a los rayos gamma como aquella radiación electromagnética de altas energías asociada a la radiactividad. Radiactividad es la desintegración espontánea de núcleos atómicos mediante la emisión de partículas subatómicas llamadas partículas alfa, que sólo penetran unas milésimas de centímetro en el aluminio y partículas beta, que son casi 100 veces más penetrantes. En experimentos posteriores se sometieron las emisiones radiactivas a campos eléctricos y magnéticos, y estas pruebas pusieron de manifiesto la presencia de un tercer componente, los rayos gamma, que resultaron ser mucho más penetrantes que las partículas beta. En un campo eléctrico, la trayectoria de las partículas beta se desvía mucho hacia el polo positivo, mientras que la de las partículas alfa lo hace en menor medida hacia el polo negativo; los rayos gamma no son desviados en absoluto. Esto indica que las partículas beta tienen carga negativa, las partículas alfa tienen carga positiva (se desvían menos porque son más pesadas que las partículas beta) y los rayos gamma son eléctricamente neutros.

Radiación gamma
Las emisiones alfa y beta suelen ir asociadas con la emisión gamma. Los rayos gamma no poseen carga ni masa; por tanto, la emisión de rayos gamma por parte de un núcleo no conlleva cambios en su estructura, sino simplemente la pérdida de una determinada cantidad de energía radiante. Con la emisión de estos rayos, el núcleo compensa el estado inestable que sigue a los procesos alfa y beta. La partícula alfa o beta primaria y su rayo gamma asociado se emiten casi simultáneamente. Sin embargo, se conocen algunos casos de emisión alfa o beta pura, es decir, procesos alfa o beta no acompañados de rayos gamma; también se conocen algunos isótopos que emiten rayos gamma de forma pura. Esta emisión gamma pura tiene lugar cuando un isótopo existe en dos formas diferentes, los llamados isómeros nucleares, con el mismo número atómico y número másico pero distintas energías. La emisión de rayos gamma acompaña a la transición del isómero de mayor energía a la forma de menor energía. Un ejemplo de esta isomería es el isótopo protactinio 234, que existe en dos estados de energía diferentes, y en el que la emisión de rayos gamma indica la transición de uno al otro. En la figura 4 se observa la generación de radiación gamma.

figura 3 – Generación de radiación gamma

Indicadores de Calidad de imagen (I.C.I.)
Los indicadores de calidad de imagen consisten en alambres o plaquetas escalonadas del mismo material que el objeto a radiografiar, cuyos diámetros o espesores representan por ej. el 1%, 2%, 3% del espesor máximo del objeto, permitiendo evaluar por comparación la calidad radiográfica.
El indicador se coloca sobre la cara del objeto que enfrenta la radiación en la parte más alejada del film (zona de mayor espesor) y en la posición geométricamente más desfavorable, por ejemplo, en el extremo más alejado respecto del punto en que la radiación incide normalmente. El espesor del hilo o escalón más delgado que sea visible en la radiografía, es el que permite evaluar la calidad de la técnica radiográfica cesada.
En el desarrollo del ensayo se utilizarán dos tipos de indicadores de calidad de imagen:
INDICADORES DIN (1): De acuerdo a la norma DIN 54.109, la calidad de imagen se caracteriza por el alambre más delgado de una serie de alambres de diversos diámetros que varían según la progresión geométrica adoptada por el I.I.W. / I.I.S.. Estos van embutidos en un material plástico transparente.
INDICADORES ASME (2): Este indicador de calidad de imagen responde a las especificaciones de la American Society of Mechanical Engineers. El espesor normal del indicador es igual al 2 % del espesor a radiografiar, este espesor se indica con números de plomo cuya altura no ha de ser inferior a 3/32" (2,4 mm.).
La disposición de los indicadores, las probetas, el chasis con la placa radiográfica y la pantalla reforzadora de plomo a utilizar en el ensayo se representa en las figuras 4 y 5.
Fig. 4 – Disposición para el nsayo radiográfico de dos probetas: engranaje y álabe de turbina
Fig.5 – Disposición para el nsayo radiográfico de soldadura longitudinal

2. Desarrollo del Ensayo

A continuación se presentan los tests llevados a cabo en el Laboratorio de Mediciones y Ensayos Industriales, correspondientes al presente Informe de Laboratorio, durante los días 02/09/02 y 23/09/02, realizados en la Facultad Regional Buenos Aires de la Universidad Tecnológica Nacional. Para efectuar los ensayos se dispone de un equipo de radiografía industrial con las siguientes características:

• Marca: Philips
• Capacidad de tensión: 200 KV
• Capacidad de corriente: 5 mA..

Exposición radiográfica de las probetas
PROBETA N°1: "Pieza obtenida por pulvimetalurgia del hierro: engranaje".

1. Material utilizado:

Se dispone de:

- 1 probeta: engranaje, Ø 80 mm, no se observan defectos superficiales a simple vista.

• 1 chasis donde se coloca la película o placa de celuloide
• 2 pantallas reforzadoras de plomo.
• Indicadores de calidad de imagen DIN 54.109
• Detector de radiación Graetz: esc. amarilla: 0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.

1. Parámetros de ensayo:

Espesor a radiografiar: 10 mm.
Voltaje utilizado: 140 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 3 mA/min
Tiempo de exposición: 3 min.
Exposición: 9 mA.
Película utilizada: AGFA-Gevaert Structurix D7
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable hasta hilo N° 12: 6 ISO 12

2. Realización del ensayo

Se coloca la pieza a radiografiar sobre el chasis, el que a su vez dispone de dos pantallas reforzadoras de plomo por debajo y por encima, para concentrar el efecto de los rayos, los cuales inciden desde la parte superior donde se encuentra la fuente o foco de emisión de rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre la probeta en las zonas de mayor espesor, o en aquellas zonas donde la radiación no es perpendicular a la pieza.

3. Normas empleadas

Las normas utilizadas para la realización del presente ensayo son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos radiográficos".
ASTM E1030 "Método para ensayos radiográficos en materiales metálicos fundidos".
PROBETA N°2: "Alabe de turbina".

1. Material utilizado:

Se dispone de:
- 1 probeta: álabe de turbina, largo 90 mm, no se observan defectos superficiales a simple vista.

• 1 chasis donde se coloca la película o placa de celuloide
• 2 pantallas reforzadoras de plomo.
• Indicadores de calidad de imagen DIN 54.109
• Detector de radiación Graetz: esc. amarilla: 0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.

1. Parámetros de ensayo:

Espesor a radiografiar: 10 mm.
Voltaje utilizado: 140 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 3 mA/min
Tiempo de exposición: 3 min.
Exposición: 9 mA.
Película utilizada: AGFA-Gevaert Structurix D7
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable hasta hilo N° 12: 6 ISO 12

2. Realización del ensayo

Se coloca la pieza a radiografiar junto con el engranaje utilizado anteriormente sobre el chasis, el que a su vez dispone de las pantallas reforzadoras de plomo por debajo y por encima, para concentrar el efecto de los rayos, los cuales inciden desde la parte superior donde se encuentra la fuente o foco de emisión de rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre la probeta en las zonas de mayor espesor, o en aquellas zonas donde la radiación no es perpendicular a la pieza.

3. Normas empleadas

Las normas utilizadas para la realización del presente ensayo son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos radiográficos".
ASTM E1030 "Método para ensayos radiográficos en materiales metálicos fundidos".
PROBETA N°3: "Placa de acero con cordón de soldadura X longitudinal".

4. Material utilizado:

Se dispone de:
- 1 probeta: chapa de acero con cordón de soldadura longitudinal, largo 120 mm. Tipo de soldadura X.

• 1 chasis donde se coloca la película o placa de celuloide
• 2 pantallas reforzadoras de plomo.
• Indicadores de calidad de imagen DIN 54.109
• 1 Indicador ASME N° 25
• Detector de radiación Graetz: esc. amarilla: 0-10 mr/H. esc. roja: 0-100 mr/H.

1. Parámetros de ensayo:

Espesor a radiografiar: 25 mm.( se adopta estandar 20 mm.)
Voltaje utilizado: 180 KV.
Distancia foco-pieza: 700 mm.
Intensidad de corriente: 4 mA/min
Tiempo de exposición: 7 min.
Exposición: 28 mA
Película utilizada: KODAK AA400 (gerar 7)
Indicador de Calidad de Imagen: DIN 54.109, BZ observable hasta hilo N° 10.

2. Realización del ensayo

Se coloca la chapa a radiografiar sobre el chasis, el que a su vez dispone de las pantallas reforzadoras de plomo por debajo y por encima, para concentrar el efecto de los rayos, los cuales inciden desde la parte superior donde se encuentra la fuente o foco de emisión de rayos-X.
Se colocan los I.C.I. sobre el cordón de soldadura y el penetrador ASME sobre un lateral del cordón, en dirección paralela al mismo.

3. Normas empleadas

Las normas utilizadas para la realización del presente ensayo son:
ASTM 94/93 "Guía standard de ensayos radiográficos".
ASTM E1030 "Método para ensayos radiográficos en materiales metálicos fundidos".
ASTM E142 "Control radiográfico. Penetrador de plaqueta ASME".

Proceso de revelado de las placas
Las tres probetas utilizadas generaron 2 placas, las cuales fueron reveladas en conjunto siguiendo los pasos descriptos a continuación:

1. Revelado: La composición del baño es de 1/3 parte del volumen de revelador G128 más 2/3 partes de agua. El tiempo de revelado utilizado es de 6 minutos a 18°C.
2. Detenedor de revelado: La composición del baño es de 1 litro de agua más 30 ml. de ácido acético glacial. El tiempo de exposición dispensado es de 30 seg., en caso de utilizarse únicamente agua este debe ser de 2 a 3 minutos.
3. Fijador de la imagen: Para fijar los haluros que se transforman en plata metálica, eliminando los haluros sin radiación. La composición del baño es de 4 litros de agua más 1 litro de G128. El tiempo de exposición requerido es de 2 minutos.
4. Humectación: Si bien no fue llevada a cabo esta etapa en el dearrollo del ensayo, este proceso se utiliza para optimizar el escurrimiento de agua.
5. Lavado: Se utiliza para lavar los excedentes de haluros de plata, gelatinas y ácidos. Se dispensa un tiempo de 20 minutos a 18°C.

Resultados obtenidos en las placas y evaluación de las probetas
PROBETA N°1: "Pieza obtenida por pulvimetalurgia del hierro: engranaje".
Debido a una posible sobreexposición no se observan los I.C.I.. La pieza no presenta fisuras o discontinuidades o detalles de rechupe evidentes sobre la placa radiográfica.
La densidad de película en las diversas zonas demuestra la sobreexposición a la que fue sometida:

• Dendidad en zona de dientes del engranaje: r 4,43.
• Dendidad en zona de mayor espesor del engranaje: r 2,62.
• Densidad en zona central del engranaje: r 4,97

La pieza es aceptada por no presentar fisuras visibles en la placa. Se recomienda un nuevo ensayo evitando la sobreexposición para obtener detalles más precisos sobre el engranje.
Cálculo de la penumbra geométrica

F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 10 mm.
d_o: distancia foco película = 700 mm+10 mm_(espesor) = 710 mm.

PROBETA N°2: "Alabe de turbina".
Esta probeta fue expuesta junto con el engranaje, por lo que se observan también dificultades para observar los I.C.I. atribuíble a una sobreexposición.

• Densidad de placa sobre la pieza: 2,9 – 3,31

A pesar de la sobreexposición se observa una fisura en la zona de unión entre álabe y cuerpo, observándose además pequeños rechupes en la misma zona, por lo que se rechaza la pieza.

Cálculo de la penumbra geométrica

F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 10 mm.
d_o: distancia foco película = 700 mm+10 mm_(espesor) = 710 mm.

PROBETA N°3: "Placa de acero con cordón de soldadura X longitudinal".
Se observa una raya central sobre el cordón en dirección axial a la soldadura. Esto indica una falta de penetración total en la raíz, distinguiéndose socavaduras.
La densidad de película en las diversas zonas es la siguiente:

• Densidad en zona de cordón de soldadura: r 2,07.
• Densidad en zona de chapa base: r 2,95.

Se observa el alambre N° 7 que corresponde a la serie 12 cuyo Æ 0,25 mm., y procediendo según los lineamientos de la norma DIN54.109 se obtiene la sensibilidad de la radiografía:

donde Ae: diámetro del menor hilo visible
e: espesor de la pieza
Respecto del penetrador según ASME 25, la placa es del tipo 2 1 T, la cual posee una sensibilidad del 1%.
La pieza es rechazada por presentar defectos visibles en la placa: socavaduras y falta de penetración en la raíz del cordón.

Cálculo de la penumbra geométrica

F: tamaño del foco o fuente = 2,5 mm
Siendo t: espesor = 25 mm.
d_o: distancia foco película = 700 mm+25 mm_(espesor) = 725 mm.

Conclusiones sobre el método radiográfico para detección de discontinuidades
El ensayo no destructivo mediante radiografía industrial por rayos X o rayos gamma no presenta dificultades ante la mayoría de los materiales metálicos, es apto para la detección de fallas internas permitiendo además la caracterización de las mismas.
Entrega un registro permanente de la imagen obtenida, ofreciendo la posibilidad de observar ensambles internos y la observación de piezas de espesor mayor a los 100 mm.
Sin embargo aún en la actualidad es un ensayo caro, no es portátil, es peligroso para el operador debido a las radiaciones a las que puede quedar expuesto, en comparación con otros ensayos no destructivos en los que se utilizan partículas magnetizables.

3. Bibliografía consultada

La bibliografía consultada responde a las siguientes publicaciones:

• "GUÍA DE TRABAJOS PRACTICOS-ENSAYOS DE MATERIALES", Ing. E. Alvarez e Ing.Cortez, apunte S5AP8 provisto por la Universidad Tecnológica Nacional FRBA, 2002, Argentina.
• "MANUAL DEL INGENIERO MECANICO", vol.1, Theodore Baumeister, Eugene Avallone y Theodore Baumeister III, editorial McGraw-Hill, 1992, México.
• "ENCICLOPEDIA DE LA TECNICA Y DE LA MECANICA", vol.7, Juan J. Wahl, editorial Nauta, 1970, Italia.

Trabajo enviado por:
Ezequiel Romero.
earomero@sinectis.com.ar
Datos personales: 26 años - estudiante de 4° año de Ingeniería Mecánica "Universidad Tecnológica Nacional - Fac. Regional Buenos Aires".
Ocupación: Responsable de Validaciones perteneciente a la Gcia. de Garantía de Calidad - Laboratorios ROEMMERS.
Tamaño de archivo [zip]: 1,03 Mb.
Categoría: Materiales - Física - Tecnología.
Palabras clave: Ensayos no destructivos - Materiales metálicos - Radiografía industrial - Gammagrafía industrial.

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