Emisión Acústica 

Uno de los principales problemas que afrontan las industrias químicas, de construcción y del petróleo, son los altos costos que emplean en la inspección de tanques de almacenamiento, recipientes a presión, tuberías y otros. Estas inspecciones, por lo general, se realizan mediante métodos convencionales de pruebas no destructivas, tales como: líquidos penetrantes (LP), ultrasonido (UT), partículas magnéticas (PM) y Radiografía (RX). Estos métodos convencionales no destructivos, en muchas ocasiones implican, sacar de servicio el recipiente o estructura a evaluar, lo cual conlleva a altos costos por paro del recipiente. La emisión acústica (EA) como método de inspección no destructivo, elimina las desventajas que implican los métodos convencionales. Para inspeccionar estructuras mediante emisión acústica no se requiere que la estructura esté fuera de servicio. Además, la evaluación de la estructura mediante EA es de tipo global, a diferencia de los métodos convencionales no destructivos que solo evalúan la estructura de forma local. En el presente se proporcionan los fundamentos de la emisión acústica como método de prueba no destructivo y se describen las principales características de las señales de emisión acústica y su aplicación en estudios de integridad mecánica para localizar defectos activos tales como grietas, fallas, fugas, corrosión y otros. 1. INTRODUCCIÓN 

A principios de los años 60, una nueva tecnología de ensayos no destructivos había nacido y fue cuando se reconoció que las grietas y discontinuidades, mientras crecían, en recipientes a presión, podían ser detectadas mediante el monitoreo de sus señales de emisión acústica. Aunque, Emisión Acústica es el término más ampliamente utilizado para este fenómeno, también se le ha llamado emisión de ondas de esfuerzo (stress wave emission), ondas de esfuerzo (stress waves), microsismos y/o actividad micro sísmica. La definición formal de la Emisión Acústica es “La clase de fenómeno en el cual se generan ondas elásticas mediante la liberación rápida de energía desde fuentes localizadas en un material.” [2] La inspección mediante emisión acústica es una técnica no destructiva que ha demostrado grandes beneficios en estudios de evaluación de integridad estructural, detectando fugas y defectos, en tanques, recipientes a presión, tuberías, puentes, etc. La Emisión Acústica (EA) difiere de otros métodos no destructivos en dos principales aspectos. Primero, la energía que se detecta, se libera del interior del material que se está inspeccionando, a diferencia de otros métodos como el ultrasonido o el radiográfico en los cuales de cierta forma se induce una energía en los materiales. Segundo, la técnica de Emisión Acústica es capaz de detectar procesos dinámicos asociados con la integridad estructural (crecimiento de grietas, deformación plástica).[1] En otras palabras, la técnica de Emisión Acústica detecta movimientos, mientras que los Métodos convencionales de pruebas

No Destructivas (MND) detectan discontinuidades geométricas. En la tabla 1 se da una comparación entre el método de Emisión Acústica y los métodos tradicionales de pruebas no destructivas. Tabla 1. Comparación entre el método de EA y los MND.[7] Emisión Acústica MND Defecto: Crecimiento/Movimiento Presencia de Defecto En relación a la carga aplicada En relación a la forma Más sensitivo al material Menos sensitivo al material Evaluación global Evaluación local Principal Problema: Principal Problema: Ruido y Evaluación de Datos Acceso, Geometría y Evaluación de datos 

2. PRINCIPIO DE EMISION ACUSTICA La figura 1a muestra un cuerpo, con un defecto inicial, sometido a esfuerzo de tensión. Si existe desarrollo del defecto en el cuerpo, sus señales de emisión acústica revelarán su existencia durante su crecimiento (figura 1b). Esta es una de las principales ventajas de la técnica de emisión acústica “Monitoreo en Tiempo Real”. Una fuente de emisión acústica genera un paquete de ondas elásticas expandiéndose y, cuando este paquete de ondas llega a la superficie del cuerpo, las ondas empiezan a transmitirse superficialmente. Gracias a este fenómeno es posible realizar la detección de defectos a distancia mediante el uso de sensores cerámicos piezoeléctricos. 2.1 Efecto Kaiser 

Una característica importante en las aplicaciones de emisión acústica es la respuesta, generalmente irreversible, de la mayoría de los metales. En la practica, a menudo se encuentra que, una vez que la carga ha sido aplicada y que la emisión acústica, relacionada a esta carga, ha ocurrido, no habrá señales de emisión acústica adicionales, sino hasta que se aplique una carga mayor a la previamente aplicada (ver figura 3). A este comportamiento a menudo útil (y algunas veces problemático) se le ha llamado el efecto Kaiser, en honor del investigador, quien fue el primero en reportarlo[4] Transductor de EA Ondas Superficiales Fuente de EA Figura 2. Propagación de las ondas de emisión acústica. Defecto Inicial Microgrieta El efecto Kaiser en la práctica tiene gran aplicación. Por ejemplo: para que una estructura, que ha estado en servicio, pueda ser inspeccionada mediante EA, es necesario conocer el máximo nivel de esfuerzos experimentado por dicha estructura hasta antes de su prueba o inspección con EA. De otra forma si durante la prueba o inspección con EA no se sobrepasa el máximo nivel de esfuerzos previamente aplicado, entonces habrá muy pocas y/o insignificantes señales de EA. 

2.2 Efecto Felicity Otra aplicación del efecto Kaiser se derivó del estudio de casos en los cuales éste efecto no se presentaba. En general, se encontró que el material generaba ondas de emisión acústica, aun y cuando no se hubiese aplicado una carga mayor a la previamente aplicada, esto a menudo se presenta en materiales en condiciones pobres y/o cercanos a fallar y se le denomina el efecto Felicity. 3. INFORMACION ÚTIL DE LAS SEÑALES DE EMISION ACUSTICA La detección de señales de emisión acústica se realiza mediante el uso de transductores, los cuales, como ya se ha mencionado, se colocan en la superficie del material a inspeccionar. Este tipo de transductores, consisten de materiales cerámicos piezoeléctricos cuya función es detectar el movimiento de las ondas elásticas (emisión acústica) y convertir este tipo de señal en voltaje eléctrico. Después, la señal (en forma de voltaje) es amplificada con ayuda de un pre-amplificador, asegurando así que la señal tenga suficiente intensidad para llegar al equipo de adquisición y análisis de señal (computadora). Un equipo de análisis de señal por lo general consta de una computadora y de programas (software) que facilitan el análisis de las características de las señales de EA. En la figura 4 se muestra esquemáticamente la forma de una señal típica de emisión acústica con sus principales características.[3] Mediante el análisis de características de las señales de emisión acústica, es posible evaluar la integridad 

estructural del material y en muchas ocasiones es posible determinar la ubicación de los defectos. Las principales características de las señales de emisión acústica (Fig. 4) son: Duración, Tiempo a la máxima amplitud, Amplitud, Energía, y Conteos. En la practica, cuando se inspecciona alguna estructura mediante emisión acústica, existen movimientos y/o vibraciones ajenas a la estructura, las cuales emiten señales de emisión acústica y, obviamente, este tipo de señales no son de interés en la inspección y se les denomina Ruido. Este tipo de ruido emite señales de cierta amplitud y es posible determinar un nivel de detección, de tal forma, que solo se detecten las señales con amplitudes superiores a las de los ruidos. A este nivel de detección se le denomina Umbral (Threshold). La duración (D) de una señal de emisión acústica, es el tiempo transcurrido entre la primera y la última señal que sobrepasa el nivel de detección prefijado. Existen ciertas interferencias de carácter electromagnético que causan ruido y se caracterizan por duraciones muy pequeñas, lo cual permite realizar un filtrado de las mismas. Por otro lado las fugas y la fricción mecánica tienen la característica de emitir señales de muy larga duración. La duración es sin duda una característica importante de las señales de EA para un mejor entendimiento de su proceso de generación. El tiempo a la máxima amplitud (R), es el tiempo transcurrido entre la primera señal que sobre paso el nivel de detección y la señal que presenta un pico

máximo. Al igual que en la duración, las señales producidas por interferencias electromagnéticas, se caracterizan por un tiempo R muy corto y de esta forma, también es posible filtrar las señales de emisión acústica. La amplitud, es el máximo valor alcanzado por la señal de emisión acústica. Este valor es importante, ya que determina la intensidad de las señales. La amplitud por lo general se expresa en decibeles de emisión acústica (dBae). Las señales menores a 35 dBae se consideran débiles, señales entre 35 y 75 dBae de intensidad media, señales entre 55 y 75 dBae intensas y las mayores a 75 dBae muy intensas. La energía, es el valor del área encerrada bajo la curva (Fig. 4) su valor es proporcional a la energía real de la onda de emisión acústica y a la vez, es representativo de la intensidad y la duración de la señal. Los conteos o cuentas, es el número de veces que la señal de emisión acústica sobrepasa el nivel de detección prefijado y es una medida simple de la magnitud de la señal. Figura 4. Características de señal de emisión acústica. 4. ANÁLISIS DE SEÑALES DE EMISIÓN ACÚSTICA El método principal de análisis de señales consiste en obtener gráficos a partir de las características de las señales de emisión acústica. El tipo y forma de los gráficos que se pueden obtener es muy amplio. Se pueden obtener gráficos de tipo histórico (Figs. 5a-5d), en los cuales se observa el comportamiento de 

cierta característica en función del tiempo o de la carga aplicada. Otro tipo de gráfico, que resulta de gran utilidad, es el de distribución (Figs. 5e y 5f), en este gráfico, en el eje X se representa una característica de señal, comúnmente la amplitud, y en el eje Y el número de emisiones o sucesos que tienen la correspondiente amplitud. Estas gráficas son útiles para filtrar ciertos mecanismos de fractura y/o deformación y además ayudan a determinar cambios de naturaleza en la emisión a medida que el ensayo progresa, a menudo amplitudes mayores están relacionadas con mecanismos de deformación más serios, por ejemplo, el desarrollo de una grieta. En general, se pueden realizar gráficas, relacionando dos parámetros o características de la señal de emisión acústica. La fricción mecánica, se caracteriza por bajas amplitudes y largas duraciones. De esta forma, resulta útil el obtener gráficos de correlación[5] entre la amplitud y la duración (Fig. 6), para identificar y filtrar ruidos generados por fricción. Una vez que las señales de EA han sido evaluadas y si se ha determinado la presencia de fuentes de EA posiblemente asociadas con la presencia de defectos significativos, entonces se deseará determinar la ubicación aproximada de su origen para una posterior inspección a detalle mediante técnicas convencionales de inspección. Es en esta situación en la cual aparecen las gráficas de localización (ver figura 7). Mediante este tipo de gráficas se puede ubicar la posición en la estructura de la fuente de EA que haya estado activa durante la prueba. 

5. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA Un procedimiento típico de inspección con emisión acústica, consta de las siguientes etapas: 1. Puesta a punto del equipo. 2. Adquisición de datos. 3. Análisis e interpretación de datos. 4. Evaluación de Datos. 5. Recomendaciones. La primera etapa, consiste en obtener datos de la estructura a inspeccionar (tanques, recipientes a presión, tubería, etc.), dentro de los cuales, si la estructura se encuentra en servicio, el más importante es la carga y/o presión máxima a la que se ha sometido la estructura hasta antes de su prueba de EA. Adicionalmente datos como: tipo de material, temperatura de trabajo, uso de aislantes, fecha y datos de la última inspección realizada, etc., también son útiles. Con estos datos se determina, entre otras cosas, el tipo y número de sensores a utilizar. Con esto, el equipo se pone a punto, lo cual consiste en la instalación de sensores sobre la superficie de la estructura a inspeccionar. La colocación y distribución de los sensores se determina en base a pruebas de atenuación, las cuales consisten en la colocación de uno o más sensores y generar intencionalmente una fuente de emisión acústica a diferentes distancias del sensor. Mientras se simula la fuente de emisión acústica, su intensidad es registrada y se construye 

una gráfica de atenuación, representando en el eje Y la intensidad en dBae y en el eje X la distancia. Con este tipo de gráficas se determina la distancia máxima a la cual el transductor puede captar una señal de buena intensidad y así determinar el espaciamiento adecuado entre sensores. Después, se fija el nivel de detección adecuado para filtrar la mayor parte del ruido ajeno a la estructura, hasta aquí el equipo está listo para la adquisición de datos. Una vez que se ha puesto el equipo a punto, comienza la etapa de adquisición de datos. Durante esta etapa la estructura gradualmente se va sometiendo a carga, hasta sobrepasar la máxima carga previamente aplicada en servicio. Durante este proceso de carga, la adquisición de datos es continua y no debe detenerse, ya que cualquier interrupción puede ser perjudicial para la etapa de análisis de datos. El análisis de datos se realiza mediante la construcción de gráficas de correlación, gráficas de tipo histórico y de distribución. Con ayuda de estas gráficas se realiza la interpretación de datos y, los defectos o las emisiones detectadas son identificadas y clasificadas de acuerdo a su severidad y/o intensidad. En base a esta clasificación, se procede a dar recomendaciones. Por ejemplo, si después del análisis e interpretación de datos no se encontraron señales indicativas de defectos severos la recomendación puede ser, una próxima inspección dentro de un período no mayor a tres o cuatro años. Por otro lado, si se han encontrado señales indicativas de defectos severos o en desarrollo, la 

recomendación sería una inspección inmediata, mediante métodos tradicionales no destructivos, en las áreas que presentaron este tipo de actividad. 6. APLICACIONES DEL MÉTODO DE EMISIÓN ACÚSTICA El método de EA puede ser aplicado prácticamente a cualquier estructura que se encuentre sujeta a esfuerzos, ya sean mecánicos o térmicos o una combinación de ambos. Sus principales aplicaciones son en la industria Química, Petroquímica, Papelera, Aeronáutica, Alimenticia, Cerámica, de la Construcción y otras.[6,7] En estudios de evaluación de integridad estructural, la emisión acústica se complementa excelentemente con otros métodos, ya que los resultados que arroja son de tipo global y no se requiere que la estructura a evaluar esté fuera de servicio. En la tabla 2 se muestra una lista de aplicaciones típicas de la emisión acústica en la industria química y del petróleo. APLICACIÓN TIPO DE ESTRUCTURA Detección de Discontinuidades1 (soldaduras y metal base) Recipientes atmosféricos Recipientes a presión Tuberías Plataformas terrestres Detección de fugas2 (soldaduras y metal base) Recipientes 

Tuberías Válvulas Monitoreo de Procesos2 (soldaduras y metal base) Compresores Bombas Motores Válvulas Certificación/Recertificación3 (soldaduras y metal base) De acuerdo a código ASME (recipientes metálicos y de plástico reforzados con fibra). De acuerdo a SPI 1982 (tanques y recipientes de fibra de vidrio). ASTM E569-78. NDIS 2412-1980 (recipientes a presión esféricos de acero). 1. Las pruebas se realizan en estructuras nuevas, en servicio y fuera de servicio. 2. Las Pruebas se realizan en recipientes en servicio. 3. En estructuras nuevas o en servicio. 6.1 Detección de Corrosión Los productos de corrosión por lo general forman una cascarilla, la cual es frágil y cuando la estructura se somete a carga o presión, esta cascarilla se rompe generando ondas de emisión acústica las cuales pueden ser detectadas, registradas y analizadas. De esta forma es posible detectar daños por corrosión en tanques, recipientes, tuberías y otros. 6.2 Tanques Nuevos 

Generalmente los tanques nuevos son inspeccionados antes de la prueba hidrostática y no vuelven a inspeccionarse sino hasta después de un cierto período de servicio. Por tal, si durante la prueba hidrostática se llega a desarrollar algún defecto, este será descubierto solo hasta después de transcurridos algunos períodos de servicio. Con el método de Emisión Acústica se elimina esta desventaja, ya que si durante la prueba hidrostática se monitorea con emisión acústica, cualquier defecto que se desarrolle será detectado. Esto obviamente, implica ventajas ahorrando tiempo y dinero. Tabla 2. Aplicaciones típicas del método de emisión acústica en la industria química y del petróleo.[1] 6.3 Cilindros de Gas Las pruebas por emisión acústica han sido aprobadas en muchos países para la recalificación de cilindros de gas, siendo sumamente rentable y particularmente atractiva en camiones con gran número y de cilindros. Decenas de miles de cilindros se han recalificado utilizando esta técnica. Las fuentes de emisión acústica en este caso son principalmente fisuras y corrosión. De esta forma, durante el llenado, que por lo general se realiza cada año, se monitorea con emisión acústica con el fin de determinar fuentes de emisión activas. 6.4 Carros Tanque de Ferrocarril La Asociación Americana de Ferrocarriles obliga que todos los carros tanque de ferrocarril deben ser 

evaluados. Esto no solo abarca al recipiente en si, sino también a las áreas del chasis sometidas a altos esfuerzos, las cuales son sometidas a esfuerzo durante la prueba utilizando gatos hidráulicos. La prueba detecta fisuras en el chasis o recipiente y corrosión en tanques aislados sin necesidad de realizar la costosa remoción del aislamiento, esto en un lapso de tiempo mínimo comparado con otros métodos. 6.5 Tuberías La emisión acústica tiene una alta relación entre costo y eficiencia al evaluar las condiciones de trabajo en tubería, especialmente en líneas aisladas. La corrosión sobre tuberías de acero al carbono y la corrosión bajo esfuerzos en líneas de acero inoxidable son áreas de aplicación comunes. Las tuberías presurizadas bajo tierra pueden ser monitoreadas con emisión acústica. La posibilidad de detectar una fuga a profundidad y a distancia, proporciona información rápida y precisa para su ubicación y reparación. 6.6 Fondos de Tanques El costo de paro de un tanque grande de almacenamiento para servicio, limpieza e inspección del fondo puede tener un costo muy alto. Usando el método para fondos de tanques se puede dar prioridad a su mantenimiento asegurando que los tanques dañados sean los primeros en ser inspeccionados, lo cual implica grandes beneficios económicos y ambientales.

La prueba puede ayudar a compañías a cumplir con la norma API 653. La duración de la prueba es de aproximadamente medio día por tanque dependiendo de su tamaño. 6.7 Monitoreo de Enfriamiento En ciertos tipos de recipientes de pared gruesa o que trabajan a altas temperaturas, los esfuerzos resultantes de un enfriamiento rápido pueden ser suficientes para estimular los defectos existentes y producir emisión acústica. En este caso el monitoreo del enfriamiento arrojará información para una posterior inspección y mantenimiento, resultando en una considerable reducción de tiempo por paro de equipo. Esta tecnología ha sido aplicada con gran éxito en muchas refinerías del mundo.[7,8] 6.8 Evaluación de Soldaduras En general, las soldaduras presentes en casi cualquier componente pueden ser inspeccionadas mediante el método de EA. La inspección de muchas estructuras soldadas tales como: tanques atmosféricos de almacenamiento, recipientes a presión, tuberías, puentes, etc., han sido aplicaciones exitosas de la técnica de EA. CONCLUSIONES La inspección mediante Emisión Acústica es un método capaz de detectar grietas, corrosión, discontinuidades, fugas, etc., en prácticamente cualquier tipo de estructura sujeta a presión o cargas (Tanques, Tuberías, Recipientes a presión, etc.). Es un método de inspección global y los resultados se obtienen rápidamente. En el caso de recipientes 

nuevos, se puede utilizar en conjunto con la prueba hidrostática para detectar el posible desarrollo de defectos antes de que el recipiente se ponga en servicio. En recipientes en servicio, después del análisis e interpretación de datos, se pueden dar recomendaciones oportunas y, dependiendo de la severidad del defecto, las recomendaciones pueden ser una inspección con métodos tradicionales (UT, LP, PM, etc.) en áreas especificas, o bien, una futura inspección con emisión acústica en un período no mayor a tres años. 

REFERENCIAS 1. K. Miller Ronnie y McIntire Paul. “Nondestructive Testing Handbook”, 2a ed., Vol. 5 Acoustic Emission Testing. ASNT. 2. Standard Terminology for Nondestructive Examination. E1316-99a. American Society of Testing and Materials. 3. Lenain Jean-Claude, “General Principles of Acoustic Emission”, Dunegan/Endevco París, France. 4. Heiple C. R. y Carpenter S. H, “Acoustic Emission Produced by Deformation of Metals and Alloys - A Review: Part I”. Journal of Acoustic Emission, Vol. 6 Number 3, 1987. 5. Fowler T. J., Blessing J. A., Conlisk P. J., Swanson T. L. “The MONPAC System”. Journal of Acoustic Emission, Vol. 8 Number 3, 1989. 6. Gandy Tom, Bailey Jim. “Reduce cost with acoustic

emission cool-down Monitoring. ( Vessels and Piping)” Hydrocarbon Processing, Vol. 71. No.1. p 66. 7. Physical Acoustics Corp. –Research. “Acoustic tests during cooldown find cracks in reactors at Gulf Coast Refinery” Oil and Gas Journal, Vol.89. No. 24, p.47. Junio 1991. 8. “Guía Práctica de Emisión Acústica” Physical Acoustics Corporation