Informe de pasantía Victor Nieto. Factibilidad de implementación técnica de ondas guiadas en los servicios de LIVCA

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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ESTUDIO FACTIBILIDAD IMPLEMENTACIÓN TÉCNICA DE ONDAS GUIADAS
PARA LOS SERVICIOS DE LIVCA.
Realizado por:
Victor Manuel Nieto Gomez
Tutor Académico: Prof. Edda Rodriguez Prato
Tutor Industrial: Reinaldo Guzman
INFORME FINAL DE CURSOS DE COOPERACIÓN
Presentando ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como
Requisito Parcial para Optar por el Título de Ingeniero de Materiales
Sartenejas, Junio 2015

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Dedicatoria
Dedico este trabajo de grado en primer lugar a Dios todopoderoso por guiar mi camino y
darme la fe, salud y la fuerza de voluntad durante esta maravillosa etapa de mi vida.
A mi madre Milagro, cuyo nombre no podría ser más acorde a lo que para mí significa, es
un Milagro tener una madre como tú. A mi papá Victor y a mis hermanos Juan y Carlos los
cuales me apoyaron y sirvieron de ejemplo durante toda mi formación como estudiante y como
persona.
A mi familia por ser un pilar fundamental en mi vida, por brindarme la motivación y las
ganas de seguir superándome, a mis primas Martha y Diana gracias por ser mi modelo a seguir.
A mi mejor amigo José Alejandro por haberme acompañado durante las largas noches de
estudio y brindado su apoyo incondicional a lo largo de los años. A mis amigos, compañeros,
colegas y hermanos de la USB Jorge, Alexander, Rubén, Maykel, Joselyn, Cheche, Tita, Evelyn,
Angie, Yrina, Gabriela, Gigi, Eli, Elio, Luisana, Gaby, Saida. Quienes hicieron que la
Universidad fuese más que una casa de estudio, la hicieron un hogar lleno de recuerdos que
puedo compartir con ustedes.
A mi nonita María (QEPD) te dedico este y todos los éxitos que he cosechado en mi vida
esperando que estés orgullosa de mi, esto también te lo debo a ti.
A todos los maestros de la Universidad Simón Bolívar, a los cuales no tengo como
agradecer la huella que dejaron en mí, tanto en lo académico como en lo personal. Y a mi alma
mater, la Universidad Simón Bolívar cuna de la excelencia académica y profesional.
Finalmente pero no menos importante a Pierina Isabella, gracias por formar parte, aunque
sea en poco tiempo, de esta grandísima experiencia a mi lado. Espero que te sientas tan orgullosa
de mí como yo lo estaré de ti cuando cumplas este sueño, te amo.
Y por su puesto a mi querida Venezuela, por ser la cuna
de todas estas personas a las cuales dedico este trabajo.

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Agradecimientos
A Dios todopoderoso por abrirme las puertas a todas las oportunidades que me guiaron
hasta donde estoy.
A mi madre, mi hermano Carlos y mi novia Pierina por apoyarme durante cada día de mi
pasantía y por escucharme hablar hasta el cansancio de Ultrasonido, Ondas Guiadas, inspecciones
y trabajo. Gracias por su paciencia.
A la profesora Edda Rodriguez por su excelente labor docente y su tutoría durante el
desarrollo de este trabajo de grado. Gracias por su apoyo y por su tiempo, comparto con usted la
siguiente frase “Es el verdadero trabajo del maestro, despertar la alegría por el trabajo y el
conocimiento” Albert Einstein.
A la familia de LIVCA y Vepica por hacerme sentir como en casa y por su excelente
ambiente laboral. Gracias a mis compañeros y ex compañeros Leudis, Alexander, Alfonso, Juan,
Cristina, Flaminia, Naty y Carlos.
A mi tutor industrial Ing. Reinaldo Guzmán al cual agradezco tener siempre sus puertas
abiertas a cualquier duda, su apoyo constante y todos sus consejos profesionales.
Al Ing. Emmanuel Carrillo y Jorge Perdigón por servirme como guía en el área de
inspección ultrasónica.
A Roberto Otero por abrirme sus puertas en la Fundación Instituto de Ingeniería y por su
valiosa información en el área de ultrasonido por ondas guiadas.
A los inspectores José Chávez y Francisco Dos Santos por guiarme en mis primeras
experiencias ingenieriles como inspector.
Finalmente a todas las personas que formaron parte, directa e indirectamente, en el
desarrollo de este trabajo de grado.

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ESTUDIO FACTIBILIDAD IMPLEMENTACIÓN TÉCNICA DE ONDAS GUIADAS
PARA LOS SERVICIOS DE LIVCA.
Realizado por:
Victor Manuel Nieto Gomez
Resumen
El objetivo de este estudio es evaluar la factibilidad de implementar la técnica de
inspección ultrasónica por ondas guiadas (Guided Waves Ultrasonic testing: GWUT) dentro de
los servicios de LIVCA. Para ello, se llevó a cabo una investigación de los principios físicos,
aspectos teóricos y técnicos del ultrasonido por ondas guiadas.
En función de esta base teórico-técnica se realizó la solicitud de cotizaciones para los
equipos GWUT y se estableció la necesidad de adquirir un equipo con la mayor cantidad de
herramientas para la interpretación de data; el equipo UltraWave LRT de Olympus, el cual en
combinación con el equipo de arreglo de fases OmniScan MX (Phased Array) de LIVCA,
garantiza un servicio de inspección completo de las líneas de tubería.
Así mismo, se realizó un estudio del mercado y los clientes potenciales para el servicio de
inspección GWUT y se determinó un amplio mercado potencial en función de las actividades
desarrolladas por PDVSA y los amplios tramos de oleoductos, gasoductos y tramos de tuberías
con las que esta cuenta en el territorio nacional e internacional, de igual modo se elaboró una lista
de clientes potenciales en función del índice de proyecto INDIPRO de LIVCA a partir del año
2009 hasta la actualidad.
Luego, en función de la norma ASTM 2775-2011 y los documentos asociados en LIVCA
se elaboró un procedimiento para la inspección de líneas de tuberías de configuraciones básicas.
Finalmente se establecieron una serie de recomendaciones a la gerencia técnica de LIVCA
referentes al grado de certificación de los operadores en la técnica de ultrasonido por ondas
guiadas.
Palabras clave: Inspección, END, Ultrasonido

vi
Índice General
I.1. Descripción de la empresa Los inspectores de Venezuela (LIVCA). ....................... 2
CAPITULO I........................................................................................................................ 4
1.1. Objetivo general..................................................................................................... 4
1.2. Objetivos específicos ............................................................................................. 4
1.2.1. Revisión bibliográfica del fundamento y aplicabilidad de las técnicas
ultrasónicas .......................................................................................................................... 4
1.2.2. Investigación sobre proveedores de equipos de ultrasonido de largo alcance
para la aplicación de la técnica de ondas guiadas.................................................................... 4
1.2.3. Estimación de la demanda de la aplicabilidad de la técnica a nivel
nacional/internacional.............................................................................................................. 5
1.2.4. Elaboración del procedimiento de aplicación de la técnica de ultrasonido por
ondas guiadas para servicios de diagnóstico de integridad mecánica ..................................... 5
Antecedentes .......................................................................................................................... 6
CAPITULO II ...................................................................................................................... 9
2.1. Ensayos no destructivos......................................................................................... 9
2.2. Ultrasonido........................................................................................................... 11
2.2.1. Ventajas y limitantes de la inspección ultrasónica.......................................... 12
2.3. Propagación de las ondas sonoras........................................................................ 13
2.3.1. Parámetros de la onda ultrasónica ................................................................... 13
2.3.2. Presión acústica. .............................................................................................. 14
2.3.3. Impedancia acústica......................................................................................... 14
2.3.4. Atenuación de las ondas sonoras..................................................................... 15
2.4. Longitud de onda y detección de defectos. Sensibilidad y resolución ................ 16
2.5. Tipos de onda....................................................................................................... 17
2.5.1. Onda longitudinal............................................................................................ 17

vii
2.5.2. Ondas transversales o de corte ........................................................................ 18
2.5.3. Ondas de superficie o de Rayleigh. ................................................................. 19
2.5.4. Ondas de Lamb................................................................................................ 19
2.6. Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies limites....................... 20
2.7. Modos de conversión........................................................................................... 21
2.8. Campo ultrasónico ............................................................................................... 22
2.9. Factores que influyen en la transmisión del ultrasonido a través de la superficie
de exploración............................................................................................................................ 23
2.10. Transductores....................................................................................................... 24
2.11. Palpadores............................................................................................................ 25
2.12. Métodos de inspección......................................................................................... 26
2.12.1. Método Pulso-Eco. ........................................................................................ 26
2.12.2. Método de transmisión .................................................................................. 27
2.13. Técnicas de ensayo .............................................................................................. 28
2.13.1. Medición de espesores................................................................................... 28
2.13.2. Técnica de arreglo de fases (PA: Phased-Array)........................................... 29
2.13.3. Ultrasonido por ondas guiadas (GWUT)....................................................... 31
CAPITULO III................................................................................................................... 33
3.1. Revisión bibliográfica del fundamento y de la aplicabilidad de las técnicas
ultrasónicas ............................................................................................................................ 34
3.2. Selección de proveedores y solicitud de cotizaciones ......................................... 34
3.3. Estimación de la demanda ................................................................................... 35
3.4. Elaboración de un procedimiento de inspección para la técnica de ultrasonido por
ondas guiadas............................................................................................................................. 35
3.5. Establecimiento de recomendaciones dirigidas a la gerencia técnica y la dirección
de LIVCA. ............................................................................................................................. 36

viii
CAPITULO IV ................................................................................................................... 37
ultrasónicas. ............................................................................................................................. 37
4.1.1. Principios físicos de la técnica GWUT ........................................................... 38
4.1.2. Principios de detección y rango de inspección................................................ 43
4.1.3. Equipos y herramientas ................................................................................... 44
4.1.4. Aplicación de la técnica................................................................................... 46
4.1.5. Representación de la data................................................................................ 48
4.1.6. Ventajas de la técnica...................................................................................... 52
4.1.7. Limitaciones de la técnica ............................................................................... 54
4.2. Selección de proveedores y solicitud de cotizaciones ......................................... 60
4.2.1. Descripción de los equipos cotizados.............................................................. 61
4.3. Estimación de la demanda a nivel nacional/internacional para la técnica de
ultrasonido por ondas guiadas. .................................................................................................. 64
4.3.1. Rango de aplicación del servicio..................................................................... 64
4.3.2. Capacitación y certificación ............................................................................ 67
4.3.3. Mercados potenciales ...................................................................................... 69
4.4. Elaboración de un procedimiento de inspección para la técnica de ultrasonido por
ondas guiadas............................................................................................................................. 78
de LIVCA. ............................................................................................................................. 82
Conclusiones ....................................................................................................................... 88
Recomendaciones ............................................................................................................... 89
Referencias bibliográficas. ................................................................................................ 90
Apéndices ............................................................................................................................ 92

ix
Índice de Figuras
Figura 1.1 Línea histórica LIVCA 2007-2014.............................................................................................3
Figura 2.1. Métodos de ensayos no destructivos para inspección superficial de un material ....................10
Figura 2.2 Métodos de ensayos no destructivos para inspección interna de un material...........................11
Figura 2.3. Representación esquemática de la propagación de la onda a través del material de ensayo....13
Figura 2.4. Relación entre amplitud y longitud de onda ............................................................................14
Figura 2.5. Esquema de propagación de la onda longitudinal, en donde se evidencian la dirección de
propagación, la oscilación de las partículas, zonas de compresión y rarefacción, así como el frente de onda
generado......................................................................................................................................................18
Figura 2.6. Esquema de propagación de la onda transversal donde se evidencia la propagación de la onda
y el frente de onda generado. ......................................................................................................................18
Figura 2.7. Esquema de propagación de la onda de superficie en un medio metálico...............................19
Figura 2.8. Diagrama de los modos básicos a) simétrico y b) asimétrico de las ondas de Lamb ..............20
Figura 2.9. Representación esquemática de los modos de conversión de un haz incidente angular..........21
Figura 2.10. Diagrama del haz ultrasónico mostrando las diferentes zonas de intensidad ........................22
Figura 2.11. Variaciones de la presión acústica vs la relación de distancia para un palpador circular......23
Figura 2.12. Principio básico del funcionamiento de los palpadores ultrasónicos.....................................25
Figura 2.13. Representación simplificada de un equipo pulso-eco............................................................27
Figura 2.14. Representación esquemática de un ensayo por transmisión usando dos palpadores .............28
Figura 2.15. Representación esquemática técnica de inspección pulso-eco ..............................................29
Figura 2.16. Palpadores y construcción de cristales transductores (arreglo lineal) de la técnica de arreglo
de fases........................................................................................................................................................30
Figura 2.17. Ejemplos de una curva de dispersión para varios modos de onda guiada ............................32
Figura 3.1. Diagrama del procedimiento experimental utilizado...............................................................33
Figura 4.1. Representación esquemática de la inspección por GWUT......................................................38
Figura 4.2. Comparación entre la inspección y el grado de cobertura para: la onda volumétrica (UT
convencional) y la onda guiada (GWUT) ...................................................................................................39
Figura 4.3. Curva de dispersión de GWUT para una tubería de 6” de diámetro........................................40
Figura 4.4. Resultados obtenidos de GWUT para a) Ambiente normal b) Ambiente con alto ruido de
fondo ...........................................................................................................................................................42
Figura 4.5. Predicción por modelos finitos del coeficiente de reflexión en función de la profundidad del
defecto (% del espesor de la tubería) ..........................................................................................................43
Figura 4.6. Anillo transductor Teletest focus+ usado para la técnica de GWUT y modulo del anillo que
presenta los transductores torsionales y longitudinales...............................................................................45
Figura 4.7. Distintas presentaciones de los anillos con módulos transductores usados en la técnica GWUT
...................................................................................................................4¡Error! Marcador no definido.
Figura 4.8. Modelo de señales típicas obtenidas de a) elementos axi-simétricos; b) elementos no axi-
simétricos ....................................................................................................................................................48
Figura 4.9. Señal de ondas guiadas en una de las áreas de prueba en una tubería superficial expuesta ....49

x
Figura 4.10. Resultados típicos inspección de tubería de 6” con un defecto de 50 mm de diámetro y
profundidad de la mitad del espesor de la tubería.......................................................................................51
Figura 4.11. Resultados GWUT para configuración básica de tuberías ...................................................55
Figura 4.12. Resultados GWUT para la inspección de una tubería de 10” en cruce de camino. ..............56
Figura 4.13. Resultados de inspección GWUT para una línea de tubería con codos en las posiciones –F2
Y +F2 ..........................................................................................................................................................58
Figura 4.14. Ejemplo de corrosión bajo soportes simples..........................................................................58
Figura 4.15. Soporte soldado de oleoducto 24” y los resultados obtenidos por GWUT para dicho tramo de
tubería..........................................................................................................................................................59
Figura 4.16. Hardware, software y tooling del equipo de ultrasonido por ondas guiadas UltraWave LRT
.....................................................................................................................................................................61
Figura 4.17. Hardware y tooling del equipo de ultrasonido por ondas guiadas Teletest Focus+...............62
Figura 4.18. Hardware, tooling y software del equipo de ultrasonido por ondas guiadas del equipo
WaveMaker G4Mini. ..................................................................................................................................63
Figura 4.19. Inspección de tuberías por ondas guiadas para diversas condiciones....................................66
Figura 4.20. Certificado que confirma la capacitación del operador en la técnica de ultrasonido por ondas
guiadas.........................................................................................................................................................68
Figura 4.21. Mapa de las refinerías y tramos de oleoductos existentes en Venezuela...............................70
Figura 4.22. Vista del complejo de refinería El Palito, en donde se observan los diversos tramos de
tuberías sobre pipe-racks y corredores de tuberías.................................¡Error! Marcador no definido. 71
Figura 4.23. Mapa del territorio Venezolano donde se ubican las principales reservas de gas natural
................................................................................................................¡Error! Marcador no definido. 72
Figura 4.24. Sistema de gasoductos en Venezuela.....................................................................................73
Figura 4.25. Extensión de la Faja Petrolífera del Orinoco.........................................................................74
Figura 4.26. Ubicación estratégica de las diversas refinerías a nivel mundial que forman parte del
patrimonio internacional de PDVSA...........................................................................................................75
Figura 4.27. Representación esquemática de la orientacion y forma de los anillos combinados para el
equipo WaveMaker G4Mini........................................................................................................................83
Figura 4.28. Representación F-Scan de todo el rango de frecuencias en un tramo de tubería...................85
Figura 4.29. Representación en el software UltraWave LRT del modo de focalización activa.................86

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Índice de Tablas
Tabla 4.1. Rangos de inspección típicos obtenidos para distintas condiciones usando transductores
estándar en rangos de inspección entre 25-70 KHz ....................................................................................43
Tabla 4.2. Comparación entre los proveedores y características del equipo GWUT................................60
Tabla 4.3. Proyectos de inspección de tramos de tubería realizadas por LIVCA en el periodo 2010-2014.
.....................................................................................................................................................................77
Tabla 4.4. Combinación de anillos inflables para el WaveMaker G4 mini. Las combinaciones en gris no
son recomendadas. ......................................................................................................................................84

xii
Lista de símbolos y abreviaturas.
UT: Ultrasonido
GWUT: Ensayo de ultrasonido por ondas guiadas (Guided wave ultrasonic testing)
END: Ensayos no destructivos
MHz: Megahercios
KHz: Kilohercios
PA: Arreglo de fases (Phased Array)
A-Scan: presentación de la data en escala de amplitudes
C-Scan: presentación circunferencial de las indicaciones
SNR: relación ruido-señal (Signal to noise ratio)
DAC: Distancia amplitud corregida (Distance amplitud correction)
CSC: cambio en la sección transversal (Cross sectional change)

1
Introducción
Las técnicas de ensayos no destructivos han evolucionado rápidamente dado la necesidad
de aumentar los requerimientos de seguridad y de integridad mecánica de los equipos en el
ambiente industrial. La presencia de ambientes cada vez más desafiantes a inspeccionar (cruces
de caminos, tuberías enterradas), la dificultad de inspeccionar equipos por su ubicación y los
elevados costos que esto acarrea, demanda el desarrollo de nuevas alternativas.
La inspección ultrasónica por ondas guiadas es una técnica de ensayo no destructivo no
convencional y es usada ampliamente para la inspección de tuberías. Desarrollada originalmente
para la inspección de tuberías aisladas por la capacidad de reducir la remoción de material
aislante, este enfoque ha sido desarrollado en una amplia gama de aplicaciones: desde la
inspección de tuberías en pipe racks (parral de tuberías) y soportes simples hasta la inspección
de tuberías enterradas, empotradas y sumergidas. En algunos de estos casos no existe una técnica
de prueba alternativa, por lo que el uso de ondas guiadas evita costosas investigaciones invasivas,
como la apertura de calicatas.
El método por ondas guiadas actualmente se utiliza para pruebas de largo alcance en
tuberías. La técnica aprovecha las ondas ultrasónicas que son guiadas a lo largo de la pared de la
tubería y pueden viajar a grandes distancias, proporcionando rapidez de ensayo con una cobertura
en todo el volumen de la tubería. El concepto habitual de prueba es equivalente a una prueba
ultrasónica convencional pulso/eco, en donde un transductor emite una señal de onda en un lugar
elegido sobre la línea, y a continuación, recibe los ecos que regresan de cualquier indicación o
discontinuidad. En función del tiempo en que el transductor tarda en recibir los ecos de las
indicaciones, se puede ubicar la distancia a la cual se encuentra dicho reflector.
Es esencial reconocer que el papel de las pruebas con ondas guiadas es el de rastrear. Los
ecos que regresan de las anomalías indican su severidad, pero no dan información de su
morfología. Por lo tanto, el método permite identificar las indicaciones para luego validar la
información obtenida con otras técnicas.

2
En este estudió se desarrollará un análisis técnico, operativo y financiero de la técnica de
ultrasonido por ondas guiadas, con el fin de incorporarla en la gama de servicios que ofrece la
empresa, Los inspectores de Venezuela (LIVCA).
La evaluación de la factibilidad del empleo de este método va a depender de una amplia
revisión teórica del ultrasonido por ondas guiadas, así como sus principios de aplicación, ventajas
y limitaciones. La importancia de estudio radica en garantizar la adquisición del equipo más
completo desde el punto de vista tecno-económico y desarrollar la técnica de inspección por
ondas guiadas, para los servicios de inspección que involucran la evaluación de condiciones de
tuberías.
I.1. Descripción de la empresa Los inspectores de Venezuela (LIVCA).
Los Inspectores de Venezuela (LIVCA) inician sus operaciones en el mes de febrero del
año 1982. Fue constituida como empresa filial de Venezolana de Proyectos Integrados, VEPICA
C.A, con el objetivo de cubrir la necesidad de ofrecer servicios orientados al aseguramiento y
control de calidad, como apoyo a los servicios integrales de ingeniería, procura y construcción
que presta su casa matriz.
Hoy, LIVCA, con más de 30 años de operaciones, está en capacidad de brindar servicios de
inspección en todas las disciplinas de la ingeniería, tanto en taller, como en campo, en
instalaciones en operación y durante paradas de planta, así como ensayos no destructivos, para lo
cual ha desarrollado personal capacitado en esas funciones y posee los equipos y procedimientos
de trabajo requeridos. LIVCA, mantiene los más actualizados niveles en técnicas de inspección y
una política de continuo mejoramiento de calidad a través del perfeccionamiento de métodos y
procedimientos, lo que ha permitido recibir la certificación ISO 9001:2008 para ensayos no
destructivos (END) y QA/QC
Esta filial de VEPICA ha prestado sus servicios en el ámbito nacional a todas las filiales de
la industria petrolera y petroquímica, las industrias básicas, así como a clientes en el extranjero,
especialmente en el área del Caribe y Colombia.

3
Los grandes avances tecnológicos que se presentan hoy en día a nivel industrial conllevan
a la necesidad de adquirir nuevas tecnologías, las cuales, a pesar de proporcionar mayores
beneficios, requieren de una gran dedicación para su uso.
A medida que transcurre el tiempo, los proveedores ofrecen nuevos equipos cada vez más
prácticos, precisos y funcionales que hacen necesario su adquisición; implicando que para
obtener de ellos todas sus cualidades y resultados confiables para ofrecer un servicio de primera
calidad, son necesarios estudios exhaustivos para controlar cada detalle del equipo.
A consecuencia del gran interés que posee la compañía en permanecer actualizada en
cuanto a métodos, procedimientos y equipos para ofrecer un mejor servicio y estar al mismo nivel
de la competencia, a mediados del año 2014 se crea la Gerencia Técnica de LIVCA cuyo objetivo
principal es la implementación de nuevas tecnologías en el área de END, y en el mismo año se
plantea la adquisición del equipo de ultrasonido por ondas guiadas de última tecnología para la
inspección de líneas de tuberías. En la Figura 1.1 se presenta una línea histórica de los avances
de LIVCA en el área de END
Figura 1.1. Línea histórica LIVCA 2007-2014.

CAPITULO I
Objetivos
1.1. Objetivo general
Evaluar la factibilidad de la implementación del servicio de inspección mediante la técnica
de ultrasonido por ondas guiadas en tuberías y equipos industriales.
1.2. Objetivos específicos
1.2.1. Revisión bibliográfica del fundamento y aplicabilidad de las técnicas
ultrasónicas
 Consulta sobre fundamentos teóricos de ultrasonido convencional para luego
enfocarse en el fundamento y aplicabilidad de la técnica de ultrasonido por ondas
guiadas.
 Recopilación de información técnica
1.2.2. Investigación sobre proveedores de equipos de ultrasonido de largo alcance
para la aplicación de la técnica de ondas guiadas
 Solicitud de cotizaciones para equipos de detección de defectos por ultrasonido
de ondas guiadas
 Evaluación y análisis de equipos y sus cotizaciones

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1.2.3. Estimación de la demanda de la aplicabilidad de la técnica a nivel
nacional/internacional
 Identificación de clientes potenciales. (Plantas a nivel nacional e internacional)
 Identificación de clientes en función de trabajos realizados previamente donde
pueda aplicarse la técnica de ultrasonido por ondas guiadas.
1.2.4. Elaboración del procedimiento de aplicación de la técnica de ultrasonido por
ondas guiadas para servicios de diagnóstico de integridad mecánica
 Elaboración del procedimiento de inspección, para los servicios de diagnóstico de
integridad mecánica en base a las especificaciones y requerimientos establecidos y
exigidos por las normas internacionales.
1.2.5. Establecimiento de recomendaciones dirigidas a la Gerencia Técnica y a la
Directiva de LIVCA
 Establecimiento de las recomendaciones técnicas y económicas referente a los
equipos de ultrasonido por ondas guiadas.

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Antecedentes
La corrosión bajo aislamiento ha sido una de las principales fallas y motivo de
preocupación que se presenta en la industria petroquímica y el gas desde principios de los 90,
debido a la dificultad que supone la detección del daño por este mecanismo. En donde es
necesario remover todo el aislamiento de la zona a inspeccionar, lo cual supone un elevado costo.
El uso la técnica ultrasónica por ondas guiadas en tuberías, es una solución bastante
atractiva a este problema, debido a que solo es necesario preparar una pequeña región de la
tubería de aproximadamente 1 metro para ajustar el equipo y realizar la inspección. [1]
Desde 1970 se reporta y describe el uso de ondas guiadas en la inspección de tuberías y varillas,
la mayoría de estos trabajos realizados por Mohr y Holler así como Silk y Baiton, fueron
enfocados en tuberías de intercambiadores de calor de diámetros pequeños generalmente 1”.
En 1979 inicia la implementación de la técnica usando modos de onda longitudinales
debido a que a frecuencias por debajo de los 100 KHz es un modo de onda poco dispersivo lo
cual permite la inspección de amplios tramos de tubería; así mismo la terminología usada para
describir los modos de onda a bajas frecuencias es discutida por Silk y Bainton. [1]
Joseph Rose en el año 1985 comienza los nuevos desarrollos de ultrasonido por ondas
guiadas, enfocado en obtener mayor velocidad y sensibilidad de la instrumentación. Para ello
estudió el efecto de la incidencia oblicua de la onda longitudinal, obteniendo que al introducir la
onda con un ángulo específico es posible detectar defectos como grietas longitudinales,
indetectables en condiciones normales para este modo de onda. [2]
La Imperial College of London a principios de los años 90 comenzó el desarrollo y
aplicación de la técnica de ondas guiadas en líneas de tuberías de aproximadamente 10 m y entre
2 y 24” de diámetro, esto con la intención de detectar daños por corrosión. Este proyecto luego
fue desarrollado por TWI con el fin de detectar daños por corrosión en función del cambio en la
sección transversal de la tubería. [1]
A partir de 1994 se forman dos grupos de investigación para el desarrollo de la técnica de
ultrasonido por ondas guiadas. Alleyne, Cawley, Demma y Lowe trabajan como principales

7
investigadores en el Imperial College de Londres y Joseph Rose desarrolla su investigación en
Penn State.
En el año 1996 Alleyne y Cawley reportaron el desarrollo de un sistema de traducción
piezoeléctrica en forma de anillo, estos descubrieron que a bajas frecuencias solo se requiere la
aplicación de un ajuste mecánico para garantizar el acoplamiento entre el anillo transductor y la
tubería. Al año siguiente, mostraron que los daños por corrosión podían ser identificables por el
cambio que generan en la sección transversal de la tubería. También demostraron que la
geometría de las soldaduras a tope y el cambio que generan en la sección transversal de la
tubería, dificultaba la detección de defectos en esta.
En el mismo año Plavakovic, Lowe, Alleyne y Cawley desarrollaron el software
DISPERSE, esto con el fin de modelar el comportamiento de las ondas guiadas en diferentes
estructuras.
Por su parte, Lowe estudió la respuesta a varias frecuencias de los modos de onda
simétricos. Sus estudios permitieron determinar, que si un modo de onda simétrico incide en un
reflector simétrico (soldadura o brida) entonces solo se generan modos de onda simétricos como
respuestas, pero si el reflector es asimétrico se generan entonces ciertos modos de onda
asimétricos. Este es uno de los desarrollos más importantes para la interpretación de las señales.
[1]
El desarrollo de la tecnología de ondas guiadas aplicadas a otros componentes también ha
sido significativo. Cawley y Wilcox estudiaron el efecto de la propagación de la onda en rieles,
posteriormente Wilcox elaboró prototipos para la inspección de placas y Fromme estudia
prototipos unidos permanentemente para monitorear estos elementos. Por su parte, Beard aplicó
las ondas guiadas en pernos de anclaje en minería, y descubrió que a mayores frecuencias se
generan mejores rangos de inspección que a bajas frecuencias. [1,2]
Desde el año 2000, se han realizado numerosos estudios que evalúan la aplicación de esta
técnica.
Alessandro Demma estudió el fenómeno de resonancia, que se presenta durante la
calibración del equipo, cuando se utilizan probetas con defectos generados por maquinado.
Determinó que el fenómeno se debe a la forma regular de los defectos introducidos por

8
mecanizado que difieren de la forma irregular de los defectos encontrados en la práctica. Un año
después estudia las ventajas y limitantes de los distintos modos de onda, principalmente de los
modos torsionales y su uso para la detección de defectos longitudinales.
Simonetti y Cawley estudiaron como las propiedades de los recubrimientos bituminosos
generan un efecto de atenuación en la onda ultrasónica, afectando el rango de inspección.
Demma estudió el efecto de los codos o elementos de curvatura pronunciada en los modos
de onda incidentes, y determinó que la señal transmitida a través de estos elementos presenta una
conversión significativa de los modos de onda, dificultando la interpretación de la data obtenida.
Otro enfoque para la inspección de codos fue estudiado por Rose, el cual desarrolló una
estrategia para enfocar la onda guiada en una sección particular de la tubería con el fin de
mejorar la sensibilidad.
Por otro lado Yang y Chen desarrollaron un modelo de elementos finitos para estudiar la
propagación de la onda luego del codo, estos resultados fueron comparados con investigaciones
experimentales y determinaron que el comportamiento de la onda es similar en ambos casos.
En Latinoamérica Victor M Nuñez presentó un caso de estudio de inspección por ondas
guiadas en una línea de tubería sumergida y enterrada, estableciendo así una base practica para el
desarrollo de inspecciones en dichas condiciones. [2]
Demma y Alleyne elaboraron un documento haciendo énfasis en todos los avances
logrados para calificar, estandarizar y certificar la técnica de ondas guiadas. Estos
fundamentaron su investigación en el grado de capacitación y entrenamiento requerido por los
operadores. [3.4]
Por su parte, Alvar Castello realizó un análisis de la tecnología de ondas guiadas, con el fin
de estudiar el mercado de aplicación de la técnica en la industria nuclear. [5]
Lo antes descrito, determina las diversas aplicaciones que tiene la técnica de ultrasonido
por ondas guiadas, así como el amplio desarrollo e investigación que se ha realizado en los
últimos 20 años El presente trabajo está enfocado en establecer las bases tecno-económicas para
la adquisición del equipo de ultrasonido por ondas guiadas.

CAPITULO II
Fundamento teórico.
2.1. Ensayos no destructivos.
Los ensayos no destructivos (END) se utilizan para detectar discontinuidades en piezas
metálicas y no metálicas. Las discontinuidades son interrupciones en la estructura física, y en
algunos casos pueden haber sido introducidas intencionalmente.
Algunas veces la discontinuidad constituye un defecto. Los defectos son discontinuidades
que no se ajustan a los criterios de aceptación porque menoscaban la utilidad de la pieza.
Los ensayos no destructivos no ocasionan daño a los materiales ensayados, por lo cual
después del examen dichos materiales pueden ser utilizados. Estas pruebas permiten la
identificación de materiales defectuosos antes de que sean conformados, maquinados,
ensamblados o puestos en servicio. El rechazo o aceptación de una pieza con defectos depende
del uso del componente. Estos ensayos también se utilizan para la inspección periódica de
componentes en servicio, la ocurrencia de una falla muchas veces puede ser evitada con el uso de
estos ensayos. [6]
La fuerza motora de los ensayos no destructivos es la mejora y desarrollo de técnicas e
instrumentación, con el fin de demostrar la integridad y confiabilidad de materiales, productos y
equipos en el ámbito industrial e ingenieril.
Las fallas en componentes industriales generalmente resulta de la combinación de diversas
condiciones, siendo las principales: diseño inadecuado, uso incorrecto o la presencia de defectos
en el material. El uso de los END busca eliminar las fallas causadas por los defectos, para ello se
evalúa el deterioro de los elementos en planta para poder asegurar su correcta reparación y/o
modificación. [6,7]

10
Los métodos de END son categorizados normalmente en función de que tan convenientes
son en términos de: la examinación de características de la superficie del material Figura 2.1 o la
examinación de características internas del material Figura 2.2.
Entre las técnicas de inspección superficial se encuentran:
 Inspección visual
 Ultrasonido (ondas superficiales)
 Partículas Magnéticas
 Electropotencial
 Resistividad eléctrica
 Electromagnética (Corrientes parasitas o corrientes de Foucault)
 Líquidos penetrantes
Figura 2.1. Métodos de ensayos no destructivos para inspección superficial de un material. De izquierda a
derecha destacan: inspección visual, ultrasonido, magnética, electropotencial, resistividad eléctrica,
electromagnética y líquidos penetrantes [7]
De igual modo para las técnicas de inspección interna encontramos:
 Rayos gamma (Gammagrafía)
 Rayos X
 Ultrasonido (Ondas longitudinales y transversales)

11
Figura 2.2 Métodos de ensayos no destructivos para inspección interna de un material. De izquierda a
derecha destacan: rayos gamma, rayos x y ultrasonido por ondas ultrasónicas longitudinales y transversales. [7]
2.2. Ultrasonido
La técnica ultrasónica utiliza ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas sónicas,
en un rango de frecuencias por encima de la zona audible; las ondas de alta frecuencia (en general
entre 1 y 25 MHz) se propagan a través del material y se reflejan, difractan y atenúan, haciendo
posible la detección de heterogeneidades, la medida de espesores o la determinación de ciertas
propiedades mecánicas. Así mismo, durante el control de calidad se utiliza para evaluar los
procesos de mecanizado y soldadura, las propiedades del material, la detección de
heterogeneidades y medición de espesores.
La inspección ultrasónica generalmente tiene dos fases: una fase de detección y una fase de
evaluación, además hay tres tipos de procedimientos involucrados. El primer grupo de
procedimientos se refiere a la calibración, para asegurar que la instrumentación está trabajando de
manera adecuada. El segundo grupo de procedimientos se refiere a la fase de detección en la
inspección; finalmente el tercer grupo de procedimientos son los asociados a la fase de
evaluación, cuando se examina con más detalle un defecto que ha sido detectado para decidir si
cumple con los criterios de rechazo. [9, 10,11]

12
2.2.1. Ventajas y limitantes de la inspección ultrasónica.
Entre las principales ventajas de la inspección ultrasónica se encuentran:
 Gran poder de penetración, los ensayos ultrasonidos aportan información de todo el
volumen de la muestra, con una capacidad de ensayar materiales con grandes
espesores.
 Elevada sensibilidad, lo cual permite la detección de defectos muy pequeños.
 Mejor aproximación con respecto a otros métodos de inspección para determinar la
posición de defectos internos, estimar su tamaño y caracterizar su orientación,
forma y naturaleza.
 Accesibilidad a través de una superficie del objeto bajo ensayo.
 La operación es electrónica, lo cual genera indicaciones casi inmediatas del defecto
para su interpretación, esto hace posible la automatización de la exploración y de la
presentación de los resultados.
 Las técnicas actuales de captura automática de datos y de presentación de resultados
hacen posible la adecuada documentación de los ensayos.
 Equipos portátiles y de fácil traslado a diversas zonas de inspección
 Sin riesgos para el operador o para las personas que puedan estar cerca de la zona de
ensayo. [8,9]
Entre las limitantes de los ensayos por ultrasonido cabe destacar:
 Los ensayos requieren de personal altamente cualificado.
 El diseño y puesta a punto de los procedimientos de inspección requiere amplios
conocimientos técnicos.
 Las heterogeneidades muy próximas a la superficie pueden no ser detectables.
 El paso de la energía acústica del palpador hacia la muestra y el retorno al palpador
requiere el uso de un mecanismo de acoplamiento líquido o semilíquido.
 La calibración del sistema de ensayo y la determinación de ciertas características de
los defectos requiere del uso de muestras patrón o de referencia. [8,9]

13
2.3. Propagación de las ondas sonoras
La transmisión sónica se realiza de unas partículas a sus adyacentes mediante sus enlaces
elásticos, cuando un medio elástico es perturbado hace que esa perturbación se propague a través
de dicho medio. Esta propagación no supone traslación real de la materia, sino transmisión de
energía. En el ensayo ultrasónico, un corto impulso de corriente eléctrica golpea a un cristal
piezoeléctrico, el cual vibra generando la onda. El haz sónico generado por el cristal se transmite
a través de un medio de acoplamiento, hasta la pieza de ensayo; el fenómeno se puede observar
en la Figura 2.3. [12]
Figura 2.3. Representación esquemática de la propagación de la onda a través del material de ensayo. [12]
2.3.1. Parámetros de la onda ultrasónica
Entre los parámetros que definen las ondas acústicas tenemos:
 Periodo (T): es el tiempo que toma una partícula en realizar un circulo completo
 Frecuencia de la onda (F): es el número de oscilaciones de una partícula dada por
segundo. Dentro de una misma onda, es la misma para todas las partículas y es
idéntica a la frecuencia del generador. La frecuencia es inversamente proporcional
al periodo
𝐹 =
1
𝑇
Ecuación 3.1 [9]
 Longitud de onda (λ): es la distancia entre dos planos en los que las partículas se
encuentran en el mismo estado de movimiento; por ejemplo dos zonas de
compresión. Es inversamente proporcional a la frecuencia

14
 Amplitud de oscilación (A): es el desplazamiento máximo de una partícula de su
posición cero, en la Figura 2.4 se observa la representación de los parámetros de
amplitud y longitud de onda.
Figura 2.4. Relación entre amplitud (A) y longitud de onda (λ) [8]
 Velocidad acústica (c): es la velocidad de propagación de la onda acústica a través
del medio. Es una constante y característica de cada material, sea cual sea la
frecuencia. En los metales sobre todo, podemos afirmar que es constante, ya que las
mínimas variaciones debidas a temperatura y presión, son despreciables. [8]
2.3.2. Presión acústica.
La intensidad de la onda ultrasónica está relacionada a la amplitud de la vibración de sus
partículas. El termino presión acústica es usado para denotar la amplitud de la presión alterna
(presiones altas y bajas en el campo de la onda elástica) que se genera en un material debido a la
propagación de la onda de ultrasonido.
2.3.3. Impedancia acústica
Se define como la resistencia que se opone a la vibración de los elementos de masa.
Dependiendo del mayor o menor valor de la impedancia del medio se dividen en: acústicamente
duros, cuando sus elementos de masa varían muy poco su velocidad de vibración a pesar de una
gran diferencia de presión; y acústicamente blandos, cuando con una pequeña diferencia de
presión sus partículas vibran a gran velocidad.

15
No debe confundirse impedancia acústica con atenuación. Un material tal como el acero
tiene una elevada impedancia y, al mismo tiempo, transmite muy bien incluso frecuencias muy
elevadas. La impedancia acústica está relacionada con la dificultad de poner en vibración el
material pero éste, una vez excitado, puede ser capaz de transmitir la oscilación a grandes
distancias dentro del material; es decir la impedancia se opone a la vibración de los elementos de
masa, pero no a la propagación de la onda. [9]
2.3.4. Atenuación de las ondas sonoras
La intensidad de una onda ultrasónica que es recibida por un elemento transductor es
considerablemente menor que la intensidad de su transmisión inicial. Los factores asociados a
esta pérdida de intensidad pueden ser clasificados en: perdidas por transmisión y efectos de
interferencia.
Las pérdidas por transmisión están asociadas a fenómenos de absorción, dispersión y
efectos de la impedancia acústica en interfases; mientras que los efectos de interferencia incluyen
la refracción y otros efectos que generen cambios de frecuencia o de fase.
Así mismo existen otros factores de pérdidas considerados dentro del fenómeno de
atenuación, entre ellos encontramos: perdidas de energía en el medio acoplante, dispersión
debido a la rugosidad superficial del material y perdidas por divergencia del haz. [8,9]
La absorción, es causada por la conversión de energía mecánica (onda ultrasónica) en calor.
Con la propagación de la onda en el material, se producen vibraciones en las partículas que,
excitaran a las siguientes y así sucesivamente; la transmisión de las oscilaciones en el medio
producirá estos aumentos de temperatura. La absorción se puede explicar como un efecto de
frenado de la oscilación de las partículas, y. [8]
Por otro lado tenemos el fenómeno de dispersión, el cual se produce por el cambio brusco
en la impedancia acústica, debido a la diferencia de densidades entre una heterogeneidad y el
material.

16
Las heterogeneidades pueden clasificarse en:
 Inclusiones, pueden ser del tipo no metálicas en aceros
 Heterogeneidades genuinas o intencionadas, como poros en materiales sinterizados
 Precipitados de distinta naturaleza, como grafito en fundiciones grises
 Fases en la estructura cristalina de los metales, con diferentes composiciones y/o
estructuras
 Diferentes orientaciones cristalinas en un material de una misma fase
 Materiales anisotrópicos, que presentan distintas propiedades elásticas en diferentes
direcciones.
 Materiales con un tamaño de grano mayor en comparación con la longitud de onda
de ultrasonido. En el límite del grano oblicuo, la onda se desdoblará en varios tipos
de ondas reflejadas y transmitidas, que a su vez se separan en varios tipos de onda
en el siguiente límite de grano. De esta manera el haz incidente se separa en ondas
parciales a lo largo de su trayectoria de forma sucesiva.
 Materiales con un grano menor que la longitud de onda, en este caso la dispersión
no se produce por el fenómeno geométrico en los límites de grano; aquí se produce
la dispersión por el paso de sonido a través de gran cantidad de obstáculos
pequeños.
Estos focos dispersores pueden producir señales pequeñas y numerosas, que “camuflajean”
las indicaciones de discontinuidades reales. [8,9]
2.4. Longitud de onda y detección de defectos. Sensibilidad y Resolución
En la inspección ultrasónica uno de los parámetros a considerar es la frecuencia del
transductor. Modificar la frecuencia genera un cambio en la longitud de onda, y esta última, tiene
un efecto en la probabilidad de detectar una determinada discontinuidad.
Sensibilidad y Resolución son dos términos muy comúnmente usados en la inspección
ultrasónica. La sensibilidad es la habilidad para detectar discontinuidades muy pequeñas, y esta
se incrementa a medida que se aumenta la frecuencia del palpador (longitudes de onda pequeñas).

17
La resolución se refiere a la habilidad de localizar discontinuidades que estén muy
próximas entre sí, la resolución aumenta de igual modo a medida que aumenta la frecuencia. [13]
Antes de seleccionar una frecuencia de inspección se deben tener en cuenta: la
microestructura del material, el tipo de discontinuidad que se espera obtener conociendo su
tamaño y localización probable. A medida que aumenta la frecuencia, la onda ultrasónica tiende a
generar dispersión, por el efecto de estructuras con gran tamaño de grano y por pequeñas
imperfecciones en el material, y es por ello que es necesaria la evaluación usando bajas
frecuencias para estos casos.
Debido a que otros elementos en el material son capaces de dispersar la onda ultrasónica a
altas frecuencias, el poder de penetración (o la máxima profundidad a la que se pueden detectar
defectos en el material) también se ve reducida.
2.5. Tipos de onda
Existen diversos modos o tipos de ondas: longitudinal, transversal y de superficie o de
Rayleigh.
2.5.1. Onda longitudinal
La onda longitudinal se caracteriza porque las oscilaciones ocurren en la dirección
longitudinal, es decir, según la dirección de propagación. Debido a que están activas en ella
fuerzas de compresión y rarefacción (dilatación) como se observa en la Figura 2.5, se denominan
también ondas de compresión.
Las ondas de compresión son las únicas que pueden ser propagadas en materiales sólidos,
líquidos y gaseosos.

18
Figura 2.5. Esquema de propagación de la onda longitudinal. [9]
2.5.2. Ondas transversales o de corte
Las ondas de corte, deben su nombre a que el sentido de oscilación de las partículas es
transversal a la dirección de propagación de la onda, esto se puede observar en la Figura 2.6
Figura 2.6. Esquema de propagación de la onda transversal, donde se evidencia la propagación de la onda y
el frente de onda generado. Las flechas indican la dirección de oscilación de las partículas.[9]
A diferencia de las ondas longitudinales, para la propagación de las ondas transversales es
necesario que cada partícula presente una elevada fuerza elástica de atracción con sus vecinas
para lograr transmitir el movimiento oscilatorio (hacia arriba y hacia abajo), generando la
propagación de la onda a través del material.

19
2.5.3. Ondas de superficie o de Rayleigh.
Las ondas de superficie son otro tipo de onda ultrasónica usada en la inspección de
materiales. Estas ondas se propagan solamente en la periferia plana o curva de un sólido,
siguiendo las irregularidades de la superficie o contornos del mismo, este tipo de ondas se puede
considerar como un tipo especial de onda transversal
En las ondas de Rayleigh el movimiento oscilatorio de las partículas es elíptico, este se
puede apreciar en la Figura 2.7
Figura 2.7. Esquema de propagación de la onda de superficie en un medio metálico, en donde se evidencia la
oscilación de las partículas y la dirección de desplazamiento.[9]
2.5.4. Ondas de Lamb
También llamadas ondas de placa o de chapa, son otro tipo de ondas ultrasónicas usadas en
END. Las ondas Lamb se propagan en placas de bajo espesor, este tipo de onda cosiste en una
vibración compleja que ocurre a través del espesor del material a ensayar. Las características de
propagación de la onda Lamb dependen de la densidad, propiedades elásticas y la estructura del
material, así como del espesor de la muestra y la frecuencia.
Se conocen dos modos básicos de este tipo de onda; onda simétrica o de dilatación y onda
asimétrica o de flexión. La simetría o no de la onda se refiere al movimiento de las partículas con
respecto a un eje neutral de la pieza de ensayo; la velocidad de las ondas varía con el ángulo de
incidencia, el espesor de la muestra y la frecuencia.

20
En el modo simétrico, hay un desplazamiento longitudinal (compresión) de las partículas a
lo largo del eje neutro de la pieza, así como un desplazamiento elíptico de las partículas en cada
superficie.
En el modo asimétrico, hay un desplazamiento transversal (corte) de las partículas a lo
largo del eje neutro de la pieza, así como un desplazamiento elíptico de las partículas en cada
superficie. Dichos comportamientos se pueden observar en la Figura 2.8. [9]
Figura 2.8. Diagrama de los modos básicos a) simétrico y b) asimétrico de las ondas de Lamb. En ambos
casos se presenta el eje neutral, la dirección en que viaja la onda; así como la oscilación de las partículas en la
superficie. [9]
2.6. Comportamiento de las ondas ultrasónicas en superficies limites
Las superficies límites de los materiales producen alteraciones sobre la onda ultrasónica. Si
se tratase de un material en el vacío, la transmisión no podría llevarse a cabo y la onda retornaría
mediante reflexión en superficies lisas; o por dispersión en el caso de superficies rugosas.
Si otro material se encuentra unido o muy próximo a la superficie límite del primero, la
transmisión de la onda acústica se producirá, pero con una alterada dirección, intensidad y modo.

21
Si la onda incide de forma perpendicular a la superficie plana que separa dos medios
diferentes (interfase), la onda se separa en una parte que se refleja y otra que se transmite al
segundo medio manteniendo la dirección y el sentido.
Cuando la incidencia de un haz sonoro es oblicua, es decir, su ángulo de incidencia se
encuentra entre 0 y 90° con respecto a la superficie normal de incidencia; ocurren los fenómenos
de reflexión y refracción.
2.7. Modos de conversión
Los modos de conversión se refieren a la variación que se produce en las características de
una onda ultrasónica cuando su incidencia es angular, en donde, además de producirse la
reflexión y refracción del haz al hacer contacto con la superficie límite; se producirán tres haces:
un haz longitudinal reflejado, un haz longitudinal refractado y un haz transversal refractado.
Como se puede observar en la Figura 2.9
Figura 2.9. Representación esquemática de los modos de conversión de un haz incidente angular. [8]
Los ángulos críticos son aquellos que se producen tanto en la onda longitudinal refractada
(primer ángulo crítico), como la onda transversal refractada (segundo ángulo crítico), en la
superficie límite o interfase. Si no controlamos el ángulo de incidencia, las ondas que se
propagan en un medio pueden sufrir un cambio de modo generando la propagación simultánea de
ondas longitudinales y transversales; en la realidad es imprescindible que solamente un haz
ultrasónico se propague en la pieza a ensayar, de manera de no crear confusión entre las señales
detectadas en la pantalla, por lo que se busca la forma de eliminar uno de los dos haces.

22
2.8. Campo ultrasónico
En los ensayos de ultrasonido, el ancho del haz es, generalmente considerado constante en
toda su longitud, cuando en realidad el haz no es totalmente recto.
La aparición del campo se debe al movimiento vibratorio longitudinal y transversal del
transductor que se transmite al material a inspeccionar. Al medir la intensidad del haz ultrasónico
a varias distancias del palpador, se pueden distinguir tres zonas diferentes, tal como se puede
observar en la Figura 2.10. Estas zonas son conocidas como: zona muerta, zona de campo
cercano o zona de Fresnel, y zona de campo lejano o zona de Fraunhofer. [8,12]
Figura 2.10. Diagrama del haz ultrasónico mostrando las diferentes zonas de intensidad [8]
La interferencia causada por las vibraciones del cristal produce la zona muerta, la cual está
determinada por el tiempo de oscilación del transductor, es decir el tiempo que tarda en generar
un pulso de vibración. Esta zona de sensibilidad pobre, debido al puso inicial, no permite la
detección de ninguna discontinuidad
La zona de campo cercano también conocida como zona de Fresnel, se refiere a la región
cercana al transductor donde hay fluctuaciones significativas en la intensidad debido a los
fenómenos de interferencia constructiva y destructiva de las ondas generadas. Debido a estas
variaciones acústicas, el análisis e interpretación de las indicaciones en esta zona se dificulta en
gran medida.
A continuación de la zona de interferencia se encuentra la zona de campo lejano, donde la
presión acústica se estabiliza. Adicionalmente, sufre una disminución de la presión acústica a lo
largo del recorrido del haz, donde la presión aumenta hasta un valor máximo y luego disminuye
considerablemente al aumentar su recorrido en el material.

23
Las regiones de campo cercano y campo lejano se pueden observar en la Figura 2.11 en
donde se observan las variaciones de las presiones acústicas en ambas zonas.
Figura 2.11. Variaciones de la presión acústica versus la relación de distancia (d/n) para un palpador circular,
en donde se observan las regiones del campo cercano y campo lejano. [9]
2.9. Factores que influyen en la transmisión del ultrasonido a través de la superficie de
exploración
En la evaluación con el método ultrasónico existen factores asociados al material a
inspeccionar que influyen en la transmisión del ultrasonido, entre los cuales destacan: el
acoplamiento, el acabado superficial, rugosidad y el grado de curvatura de la superficie.
La finalidad de los acoplante en ultrasonido consiste en promover una trayectoria con la
más baja resistencia acústica posible para la transmisión del sonido desde el palpador hasta la
pieza de ensayo. En muchos casos una película de aire de bajo orden de magnitud (0,0001 mm)
en un rango de frecuencias de ensayo (1 MHz-20 MHz) puede impedir totalmente la transmisión
de la onda al medio.
La selección de los acoplantes está condicionada generalmente a factores de costo,
disponibilidad, viscosidad, adherencia, reacciones químicas posibles y limpieza luego del ensayo.

24
Entre los acoplantes más utilizados se tiene: el agua, aceites varios, glicerina, grasas a base de
petróleo y a base de silicona, entre otros.
Por otra parte, la condición superficial debido a recubrimientos, presencia de óxidos y las
cascarillas, pueden generar películas de aire entre estos y el material base, impidiendo una
adecuada transmisión de la presión acústica del ultrasonido. Es por ello que se debe preparar la
superficie de inspección mediante desbaste o retirar el recubrimiento en la zona del ensayo,
resultando en una superficie que no tenga resistencia a la transmisión del ultrasonido.
Las superficies rugosas ocasionan un desfase de la onda, debido a las diferentes
velocidades de propagación, que puede producir un fenómeno de interferencia capaz de anular la
presión acústica resultante. Los efectos propios de la rugosidad del material pueden generar:
disminución de la transmisión de la presión acústica, cambios direccionales del haz y generación
de ondas parasitas.
Finalmente la curvatura de la superficie de exploración disminuye la sensibilidad, en
donde, las superficies convexas son menos críticas que las cóncavas.
Las superficies de inspección convexas al palpador sufrirán una disminución del área de
contacto lo que causara cambios en la divergencia del haz ultrasónico. Y para el caso de
superficies cóncavas, si el radio de curvatura es lo suficientemente pequeño, el centro del
palpador pierde el contacto con la superficie, originando una transmisión inadecuada y la pérdida
total de sensibilidad. [13]
2.10. Transductores
La generación y detección de ondas ultrasónicas se logra a través del uso de elementos
transductores que actúan a través de un acoplante. El elemento transductor esta contenido
generalmente en un arreglo conocido como palpador. Un transductor es un mecanismo que
convierte energía eléctrica en energía mecánica y viceversa, dicha conversión de energía
ultrasónica se realiza a partir del efecto piezoeléctrico.

25
Un material piezoeléctrico, convierte deformaciones mecánicas causas por efecto de una
presión externa, en cargas eléctricas; este fenómeno se le conoce como efecto piezoeléctrico
directo y se usa en ultrasonidos como receptor de las ondas ultrasónicas.
El fenómeno inverso, en el cual se producen deformaciones mecánicas si se le aplican
cargas eléctricas a un cristal piezoeléctrico se conoce como efecto piezoeléctrico reciproco, y se
utiliza como emisor de las ondas ultrasónicas; ambos efectos se pueden observar representados en
la Figura 2.12 [10,12]
Figura 2.12. Principio básico del funcionamiento de los palpadores ultrasónicos, a la izquierda se representa
el efecto piezoeléctrico directo y a la derecha el efecto piezoeléctrico reciproco. [12]
Los materiales piezoeléctricos más comunes para los ensayos ultrasónicos son: cuarzo,
sulfato de litio y cerámicas polarizadas como titanato de bario y metaniobiato de plomo.
2.11. Palpadores
Los palpadores se refieren a todo los elementos que en conjunto con el cristal piezoeléctrico
permiten la emisión y transmisión del haz ultrasónico al material, consta de la cubierta o montura
metálica, que se encarga de proteger el conjunto, el amortiguador del cristal, los electrodos y
conductores eléctricos, el conector coaxial y la zapata de plástico.
Existen diversos palpadores para cada aplicación, pero se emplean principalmente
palpadores de contacto directo en las técnicas de inspección ultrasónica. En muchos casos es
necesario el uso de una capa fina de un acoplante para la transmisión de la onda ultrasónica a
través de la interfase entre el palpador y la superficie.
Los palpadores de contacto directo pueden clasificarse en tres tipos: haz recto, haz angular
y palpadores emisor-receptor (E-R).

26
Los palpadores de haz recto, son usados para inspección de contacto directo y son
manipulados generalmente de manera manual, el elemento transductor se encuentra protegido por
la montura metálica. Este tipo de palpador proyecta el haz ultrasónico de manera perpendicular a
la superficie de entrada, y el método de inspección pulso-eco puede realizarse con uno o dos
palpadores.
Al realizar el ensayo con un palpador este actúa como trasmisor y receptor de la onda
ultrasónica. Se usan dos palpadores cuando la pieza de ensayo tiene una forma irregular o cuando
la superficie de la pieza no es paralela.
El palpador de haz angular se construye acoplando una unidad de haz recto a una de las
caras de una zapata de plástico, el cual presenta determinado ángulo de refracción. Dicha zapata
está diseñada para reducir y o eliminar reflexiones internas dentro de la misma, con el fin de
evitar falsos ecos. Los palpadores de haz angular son usados para la inspección de láminas,
tuberías o piezas en donde su forma impide el acceso de un haz recto.
Finalmente el palpador E-R, cuenta con dos transductores aislados eléctrica y
acústicamente, en donde uno de los cristales actúa como emisor y el otro como receptor. Ambos
cristales se montan como con una cierta inclinación sobre una zapata que produce el efecto
focalizador, concentrando el haz ultrasónico con el fin de conseguir máxima sensibilidad en las
proximidades de la superficie [13]
2.12. Métodos de inspección
Los dos métodos principales de inspección por ultrasonidos son transmisión y pulso-eco.
La diferencia principal entre ambos es que en transmisión solo se mide la amplitud de la señal,
mientras que pulso-eco se puede usar para medir amplitud y tiempo
2.12.1. Método Pulso-Eco.
El método de inspección pulso-eco es uno de los métodos de inspección ultrasónica más
utilizado y contempla la detección de ecos producidos cuando una onda ultrasónica es reflejada
por una discontinuidad o una interfase del material a ensayar.

27
En la Figura 2.13 se presenta un esquema de un equipo pulso-eco; el impulso eléctrico
procedente del generador excita al transductor emisor lo que produce la emisión de un impulso
acústico que pasa a través del medio de acoplamiento.
Al encontrar un obstáculo en su recorrido, se refleja y vuelve al receptor; la señal obtenida
en este caso se representa en la pantalla de un osciloscopio en una gráfica amplitud versus
tiempo.
Figura 2.13. Representación simplificada de un equipo pulso-eco, en donde se observa la unidad que genera
la onda acústica (generador de impulsos de alta frecuencia), la unidad emisor-receptor y el sistema amplificador para
representar la data. [9]
La inspección pulso-eco es usada en la detección de defectos y mediciones de espesor. La
profundidad del defecto es determinada por el tiempo que tarda la onda ultrasónica desde que es
enviada al material hasta la obtención del eco del defecto o de la pared de fondo. El tamaño del
defecto se estima a través de una comparación de las señales de amplitud o de la señal reflejada
de la superficie opuesta, con las señales amplitud de un patrón de referencia de tamaño conocido
o de una muestra que no presente ningún defecto.
2.12.2.Método de transmisión
En el método de transmisión, sin importar si se usa un haz recto o haz angular, los defectos
son detectados comparando la intensidad de la señal transmitida a través de la pieza de estudio,
con la intensidad de la señal transmitida a través de un bloque de referencia del mismo material
de ensayo. La variación del método de transmisión representado en la Figura 2.14 es conocida
como pitch-catch; uno de los palpadores es usado para transmitir el haz ultrasónico al cuerpo de
ensayo y el otro es posicionado de manera que reciba la señal reflejada por la discontinuidad

28
Figura 2.14. Representación esquemática de un ensayo por transmisión usando dos palpadores. [8]
. En la actualidad son los mismos equipos pulso-eco los que se adaptan para trabajar en
transmisión, aislando los circuitos de emisión y recepción. [8,9]
2.13. Técnicas de ensayo
2.13.1. Medición de espesores
Esta técnica consiste en una medición de pulso-eco con el agregado de procesamiento de
señales para trabajar aun en condiciones de superposición de múltiples ecos. Se utiliza un único
transductor piezoeléctrico como transmisor y receptor, acoplado con la pieza a medir mediante
una línea de demora.
El palpador cumple una doble función, por un lado introduce una demora fija entre la
emisión del transductor y la recepción del eco producido sobre la cara anterior de la pieza a medir
y por otro, acopla acústicamente el transductor y la pieza bajo ensayo.
La demora introducida debe ser suficientemente grande como para separar la excitación y
la recepción del eco, y que no influyan en la medición los ecos múltiples producidos entre el
transductor y la cara posterior del separador.
El espesor de la pieza se determina midiendo el tiempo que la onda tardó en ir y regresar de
un extremo al otro, teniendo en cuenta la velocidad de propagación del sonido dentro del material
analizado. La Figura 2.15 ilustra dicho método. [14,15]

29
Figura 2.15. Representación esquemática técnica de inspección pulso-eco. [15]
La medición de espesor se define por medio de la Ecuación 3.2 y es igual al producto entre
la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el material y la mitad del tiempo en que se
transmite.
𝐸 =
𝑉.𝑡
2
Ecuación 3.2 [14]
Donde 𝐸 es el espesor del material, 𝑉 la velocidad del sonido del material y 𝑡 el tiempo de
tránsito entre la emisión y recepción de la señal ultrasónica
2.13.2. Técnica de arreglo de fases (PA: Phased-Array)
Es una técnica de ultrasonido, que a diferencia del UT convencional que cuenta con uno o
dos elementos de adquisición de data (cristales transductores), esta cuenta con múltiples
elementos de adquisición de datos (múltiples cristales transductores). Estos elementos son
controlados uno a uno en el tiempo por computadora, creando así imágenes en tiempo real,
reduciendo el tiempo de estudio aplicado en cada ensayo.
Los palpadores de arreglo de fases que pueden observarse en la Figura 2.16, consisten en
un arreglo de transductores desde 16 hasta 256 pequeños cristales que pueden ser excitados de
forma individual; con un rango de frecuencias entre 2-10 MHz.

30
Figura 2.16. Palpadores y construcción de cristales transductores (arreglo lineal) de la técnica de arreglo de
fases. A la derecha se observan los distintos cristales individuales que conforman al palpador. [16]
Uno de los principios de funcionamiento de la técnica es el principio físico de las ondas
conocido como ajuste de fase, de ahí el nombre de la técnica. Consiste en una variación de
tiempo a la que se generan los pulsos ultrasónicos, de manera tal que cada frente de onda
generado por los cristales, se combinen entre sí.
Cada frente de onda controlado en el tiempo (time-delayed) puede sincronizarse en fase y
amplitud, generando así un haz focalizado al cual podemos modificar su dirección. Un software
conocido como generador de leyes focales (focal law) establece dichas variaciones de tiempo
para cada grupo, generando la forma deseada del haz; teniendo en cuenta las características de la
zapata y el transductor, así como los parámetros geométricos y acústicos del material.
Los beneficios de la tecnología de arreglo de fases sobre el UT convencional, son la
habilidad de usar múltiples elementos transductores para mover, enfocar y escanear materiales
con un solo arreglo. Esto simplifica la inspección de componentes de geometrías complejas,
inspecciones de acceso limitado, aumento de la capacidad de detección y dimensionamiento de
discontinuidades, todo esto se traduce en un aumento significativo de la velocidad de inspección
con respecto a otras técnicas. [16]

31
2.13.3. Ultrasonido por ondas guiadas (GWUT)
El ultrasonido por ondas guiadas es una técnica de ensayo no destructivo utilizada para
evaluar la perdida de sección transversal debido a procesos de erosión o corrosión, a través del
uso de ultrasonido de largo alcance.
El ultrasonido de largo alcance también llamado onda guiada, se refiere a la onda mecánica
(o elástica) en una frecuencia ultrasónica que se propaga paralela al plano de un medio, el cual
puede ser una tubería, placa, varilla, entre otros. El término de onda “guiada” se debe a que esta
viaja a través del medio “guiada” por los límites geométricos de este.
Debido a que la onda es guiada por los límites geométricos del medio, esté tiene una fuerte
influencia en el comportamiento de la onda. En contraste con la onda ultrasónica utilizada en
inspecciones de ultrasonido convencional, la cual se propaga a una velocidad constante, la
velocidad de la onda guiada varia de manera significativa con la frecuencia y geometría del
medio. Adicionalmente, a una frecuencia dada, la onda guiada puede propagarse en diferentes
modos de onda.
Las propiedades de la onda guiadas y ejemplos de sus curvas de dispersión, las cuales se
refieren a la relación entre la velocidad y la frecuencia de onda; están dadas en la Figura 2.18
para tuberías y placas.
En las tuberías, las ondas guiadas existen en tres modos de onda diferentes: longitudinal
(L), torsional (T) y flexural (F). En una placa, la onda guiada existe en dos modos de ondas
diferentes: longitudinales, llamados generalmente “ondas de lamb” la cual existe en modos
simétricos (S) y asimétricos (A); y el modo de corte horizontal (SH por sus siglas en ingles Shear
horizontal). [17]

32
Figura 2.18. Ejemplos de una curva de dispersión, Velocidad de los grupos vs Frecuencia para varios
modos de onda guiada en: a) Una tubería (Diámetro externo 114 mm y 8.6 mm de espesor) donde los números en
paréntesis indican el orden del modo de onda. b) Una placa (6.35 mm espesor de placa) donde los números luego de
cada letra (0 y 1) indican el orden del modo de onda. [17]
A pesar de que las propiedades de la onda guiada son complejas, con una selección y
control adecuado del modo de onda y frecuencia, estas pueden alcanzar el 100% de inspección en
todo el volumen de largos tramos del elemento a inspeccionar, desde un solo sitio de inspección.
La onda guiada se genera en un sitio específico, en donde viajan largas distancias para
monitorear la condición del componente a estudiar. La onda guiada inspecciona todo el volumen
del componente, donde cualquier cambio en la sección transversal como soldaduras o
corrosión/erosión, generalmente refleja o genera dispersión de la onda; lo cual permite detectar
dichas indicaciones. [17]

CAPITULO III
Procedimiento Experimental
A continuación se esquematiza el procedimiento experimental realizado en el proyecto de
pasantía para cada una de las técnicas empleadas
Figura 4.1. Diagrama del procedimiento experimental utilizado

34
ultrasónicas
En la revisión bibliográfica, se consideraron dos aspectos importantes como punto de
partida: fundamentos teóricos y aspectos técnicos de cada una de las técnicas.
En primer lugar se realizó una consulta de los fundamentos del ultrasonido convencional,
con el fin de enfocarse en la técnica de ultrasonido por ondas guiadas. En la revisión se
consideraron los principios físicos que rigen esta técnica, tomando en cuenta los modos de onda
y la propagación de estos en tuberías.
Posteriormente se estudiaron los principios de detección usados en la técnica por onda
guiada, así como el rango de aplicación y limitaciones de esta.
Una vez definidos estos aspectos teóricos se realizó una revisión de los aspectos técnicos de
la técnica, como la instrumentación y los equipos requeridos para generar, recibir e interpretar la
señal ultrasónica. Así mismo, se definieron las herramientas utilizadas en la técnica para
representar e interpretar la data obtenida (A-Scan y C-Scan).
Finalmente, se realizó una descripción de las ventajas y limitaciones de la técnica, tomando
en cuenta los factores técnicos y económicos.
3.2. Selección de proveedores y solicitud de cotizaciones
Tal y como se visualiza en la Figura 4.1 se estableció en primer lugar los requisitos de
inspección para utilizar la técnica de ondas guiadas, tomando en cuenta las ofertas del mercado
actual y el grado de aplicación requerido: entre los cuales destacan amplios tramos de tubería al
aire, tuberías enterradas y cruce de carreteras.
Posteriormente, se realizó una selección previa de todos los proveedores que comercializan
este tipo de equipos, a fin de seleccionar según el grado de aplicación previamente establecido.
En conjunto con la gerencia técnica de LIVCA, se establecieron los requisitos de inspección con
el fin de garantizar la correcta selección de equipos y accesorios necesarios para la aplicación de
la técnica.

35
Finalmente, se solicitaron cotizaciones a los tres proveedores a nivel internacional del
equipo: Olympus, Plant Integrity LTD y Guided Ultrasonics LTD y luego de obtener la respuesta
de los representantes de ventas a nivel nacional, se realizó una comparación entre los mismos,
tomando en cuenta los factores económicos, técnicos y el entrenamiento/certificación
suministrado por la compañía.
3.3. Estimación de la demanda
Para estimar la demanda del servicio de inspección por ondas guiadas se consideraron tanto
el rango de aplicación de dicho servicio, como también el estudio del mercado potencial donde
pueda aplicarse.
Se establecieron las principales aplicaciones de la técnica, clasificándolas según el grado de
dificultad en aplicaciones sencillas y aplicaciones complejas; definiendo las características de
ambas. Así mismo, se realizó una descripción de la capacitación requerida para la inspección por
ondas guiadas.
Por otra parte, se realizó un estudio de los mercados a nivel nacional e internacional en
función de la gama de procesos y operaciones realizadas por la empresa petrolera nacional
PDVSA. Adicionalmente, se elaboró un listado de proyectos realizados previamente por LIVCA
en los cuales es posible utilizar la técnica de ondas guiadas, utilizando el “Índice de Proyectos”
(INDIPRO) en los últimos 6 años.
3.4. Elaboración de un procedimiento de inspección para la técnica de ultrasonido
por ondas guiadas
En función de la información técnica, se elaboró un procedimiento de inspección para los
servicios de diagnóstico e integridad mecánica de LIVCA, basándose en las especificaciones y
requerimientos establecidos y exigidos por la norma ASTM 2775-11 “Standard practice for
Guided Wave Testing of above ground steel pipework using piezoelectric effect transduction”.
El formato de procedimiento se redactó bajo la estructura dispuesta en el “Formato
procedimiento normativo para la elaboración de documentos técnicos” de LIVCA.

36
de LIVCA.
Finalmente, basándose en la información técnico-económica y los resultados obtenidos, se
plantearon una serie de recomendaciones a la gerencia técnica de LIVCA para la adquisición del
equipo de ondas guiadas tomando en cuenta el costo del equipo, el grado de capacitación
requerido por los operadores, aspectos técnicos referentes a los anillos transductores usados en la
inspección, así como también las herramientas usadas por el equipo para la interpretación de la
data obtenida.

CAPITULO IV
Resultados y discusión.
A continuación se presentan los resultados obtenidos durante cada fase de la investigación
y el correspondiente análisis de los mismos.
ultrasónicas.
Actualmente la técnica de ultrasonido convencional presenta limitaciones cuando se trata
de evaluar amplios tramos de tubería o condiciones de acceso limitado en donde su aplicación es
prácticamente nula sin realizar una preparación extensiva de la zona a estudiar (apertura de
calicatas, remoción de amplios tramos de recubrimiento, entre otras). Desde el punto de vista
técnico-económico, la inspección bajo estas condiciones representa una inversión sustancial de
tiempo, dinero y esfuerzo. No obstante, no es posible garantizar la integridad de todo su
volumen.
La técnica por ondas guiadas de baja frecuencia y largo alcance (Guided Wave Ultrasonic
Testing: GWUT), permite inspeccionar grandes longitudes de tubería en áreas de difícil acceso,
detectando rápidamente corrosiones internas, externas y otros defectos.
La onda guiada es generada posicionando el anillo de transductores piezoeléctricos
alrededor del diámetro de la tubería, un pulso eléctrico genera la vibración mecánica que viaja a
través de esta. Luego de que la onda se transmite a través del material, el anillo recibe la señal
reflejada, esta señal varia con: los cambios en la sección transversal (si hay un incremento o
perdida de esta) y la presencia de discontinuidades debido a cambios de impedancia entre esta y
el material, en donde a mayor diferencia de impedancia acústica existirá mayor energía reflejada

38
En la Figura 4.1 se visualiza un esquema de la inspección por ondas guiadas, así como los
resultados obtenidos para un defecto particular presentados en un A-Scan. En la misma, se
observa como la señal viaja a través de la tubería hasta encontrar una discontinuidad o una unión
soldada. Estas señales reflejadas son detectadas por el anillo transductor y se representan en una
gráfica amplitud-distancia. [5]
Figura 4.1. Representación esquemática de la inspección de ultrasonido por ondas guiadas. Donde se evidencia la
interacción de la onda transmitida con los defectos y las soldaduras, generando la señal reflejada. [5]
La detección de discontinuidades sin embargo, no es tan simple como se muestra en el
esquema, sino que depende de variables como: la geometría de la tubería, tipo de recubrimiento,
espesor de recubrimiento, tipo de suelo, material de aislamiento, profundidad de la tubería
enterrada y el contenido de la tubería; todos estos factores tienen un efecto sustancial en la
propagación de la onda guiada, sensibilidad y capacidades de cobertura. [5]
4.1.1. Principios físicos de la técnica GWUT
El uso de ondas de baja frecuencia que se propagan a través de las paredes de la tubería es
una solución muy atractiva, debido a los amplios rangos de inspección y la posibilidad de
evaluar condiciones que son imposibles para otras técnicas. Con el fin de garantizar la correcta
aplicación de la inspección por ondas guiadas, es necesario no solo entender las variables de la
técnica sino el principio físico por el que se rige.

39
Para ondas guiadas existen diversos modos de onda en placas y tuberías, que difieren a los
modos de onda utilizados por ultrasonido convencional, dichos modos de onda son dispersivos
generalmente. Debido a esto, la inspección por ondas guiadas es más compleja que las técnicas
que usan ondas acústicas de volumen.
La Figura 4.2 muestra una comparación esquemática entre ambas técnicas, tomando en
cuenta el grado de cobertura en cada una.
Figura 4.2. Comparación entre la inspección y el grado de cobertura para: a) la onda volumétrica (UT
convencional). b) la onda guiada (GWUT). La zona en azul hace referencia al grado de cobertura para cada técnica.
[1]
De acuerdo a esto, la propagación de la onda GWUT difiere con respecto a las ondas de
volumen, ya que en el primer caso tenemos un mayor rango de cobertura, mientras que en UT
convencional la inspección es más localizada.
Dada esta diferencia entre el tipo de onda y su grado de aplicación; la instrumentación
necesaria para generar e interpretación las señales deben ser diseñadas cuidadosamente con el fin
de obtener las respuestas que garanticen una interpretación confiable. Esto se logra utilizando dos
modos de onda particulares para GWUT: el modo de onda longitudinal y el torsional.
En la Figura 4.3, se observa la curva de dispersión para una tubería de 6 pulgadas. En la
misma se aprecian, alrededor de 50 modos de onda de baja frecuencia (por debajo de 100 KHz).
Los sistemas actuales de ondas guiadas han logrado determinar la excitación de modos de onda
particulares, que permitan la obtención de señales fácilmente interpretables, en este caso los
modos Longitudinal L(0,2) y Torsional T(0,1). Estos modos de onda, tienen una distribución
uniforme a medida que se propaga a través de la sección transversal de la tubería, por lo que son
más sensibles a detectar los cambios en esta

40
La técnica por ondas guiadas identifica variaciones de la sección transversal de la tubería,
además de la ubicación axial y una aproximación de la ubicación circunferencial de las
discontinuidades. Sin embargo, no puede distinguir entre una ganancia o pérdida de la sección
transversal. La habilidad de detectar cambios en la sección transversal está gobernada por la
sensibilidad del ensayo, que representa el mínimo cambio en la sección transversal que puede ser
detectado. [1]
Figura 4.3. Curva de dispersión Velocidad de grupo vs Frecuencia de GWUT para una tubería de 6” de
diámetro. [1]
En muchas inspecciones por ondas guiadas, la sensibilidad del ensayo va a depender de la
amplitud de la señal y el ruido coherente, el cual es causado por la excitación no deseada de
distintos modos de onda.
Así mismo, la sensibilidad para detectar los defectos también va a depender de la
geometría de estos y de los factores que modifican las señales, como: la configuración de los
componentes de la tubería, recubrimientos, selección del modo de onda, la atenuación del medio
y la relación ruido-señal (Signal to noise ratio: SNR). Este último parámetro, es una medida de
como la señal obtenida de una indicación se compara con el ruido de fondo (llamado
simplemente “ruido”).

41
El ruido de fondo incluye el ruido coherente e incoherente. El primero hace referencia a las
indicaciones causadas por discontinuidades reales cuyas señales decrecen con la distancia, tal y
como se observa en la Figura 4.4 a), en la que se muestra la caída de las señales a medida que
varía la distancia de las reflexiones obtenidas.
Por su parte, el ruido incoherente se refiere a indicaciones aleatorias generadas por:
contaminación de las señales debido al medio o la excitación no deseada de distintos modos de
onda, visualizándose como señales generalmente constantes, tal como se muestra en la Figura
4.3 a) y b).
En el caso b), se evidencia un ambiente con elevado ruido de fondo, donde la
interpretación de la data se dificulta en gran medida. Esto debido a que los altos niveles de ruido
no permiten la interpretación de indicaciones con una amplitud (altura de la señal) baja
Así mismo, en las inspecciones por ondas guiadas es común encontrar variaciones de la
SNR, debido a la atenuación de las mismas por efecto de: la condición de la tubería, el tipo de
suelo y compactación de este (en el caso de tuberías enterradas), como esta adherido el concreto
a la tubería (cruces de pared) y las propiedades del recubrimiento (tuberías recubiertas). [18]
Figura 4.4. Resultados obtenidos para GWUT para: a) Ambiente normal con ruido coherente que disminuye
con la distancia y un bajo ruido incoherente. b) Ambiente con alto ruido de fondo. [4]

42
Otro factor a considerar es la frecuencia, donde la sensibilidad del ensayo disminuye con la
esta. Por ejemplo la Figura 4.5 muestra el coeficiente de reflexión del modo T(0,1) de una grieta
axialmente simétrica de profundidad variable, en donde el porcentaje de profundidad es 100%
para la superficie del material y va disminuyendo a medida que la grieta se interna.
Figura 4.5. Predicción por modelos finitos del coeficiente de reflexión en función de la profundidad del
defecto, de una grieta axialmente simétrica de profundidad variable en una tubería de 6”. También se representan los
resultados para una tubería de 24” a 10 y 50 KHz (línea punteada). [1]
Al observar la Figura 4.5, se evidencia que a medida que la frecuencia disminuye la curva
se vuelve más cóncava. Lo que implica que se dificulta la detección de defectos más profundos.
A menores frecuencias, por ejemplo 40KHz la grieta inducida en el material presenta un
coeficiente de reflexión de 20% a una profundidad del 65% (línea negra). Al compararlo con
una frecuencia mayor de 220 KHz, se evidencia que para el mismo coeficiente de reflexión, la
profundidad del defecto detectada alcanza un valor menor, un 35% de profundidad
aproximadamente (línea roja). Es decir que a mayores valores dentro del rango de frecuencias, es
posible detectar defectos más profundos dentro del material.
Para limitar el ancho de banda de la excitación y asegurar que solo se generan los modos de
ondas requeridos, se utilizan elementos amortiguadores en los cristales transductores, que limitan
el grado de excitación, así como también técnicas de procesamiento de la señal recibida.
Finalmente se deben tener en cuenta dos áreas específicas que limitan o no permiten la
inspección de una zona particular de la tubería, estas son la zona muerta y el campo cercano del
palpador o transductor.

43
La zona muerta es el área que se encuentra por debajo y adyacente al anillo transductor, en
la cual no se puede obtener información de la inspección. La zona del campo cercano se extiende
a partir de la zona muerta en donde sí se obtiene una señal, no obstante la amplitud es muy baja
por lo que dificulta el análisis en dicha zona.
4.1.2. Principios de detección y rango de inspección.
El presente estudio contempla la evaluación de tramos de tuberías que en la mayoría de los
casos pueden presentar corrosión bajo aislamiento. En un principio, la investigación y el
desarrollo de los sistemas de inspección por ondas guiadas apuntaban hacia el estudio de la
corrosión bajo esta condición particular. Aquí la necesidad era inspeccionar tramos largos de
tubería con aislamiento de lana mineral, secciones rectas con pocas uniones soldadas, bridas, etc.;
con el fin de detectar corrosión localizada generada por fallos en el aislamiento, o fugas de la
línea.
Estas son las condiciones ideales para la aplicación de la técnica, por la baja atenuación del
medio donde se encuentra. Esta técnica permite evaluar tramos de hasta 200 metros de longitud
(100 metros en cada dirección), no obstante el rango de ensayo disminuye a medida que se
presente un mayor deterioro en la condición de la tubería. La Tabla 4.1 presenta los rangos de
inspección típicos para una serie de aplicaciones particulares: medios con elevada atenuación en
función de la condición a la que se encuentra la tubería.
Tabla 4.1. Rangos de inspección típicos obtenidos para distintas condiciones usando transductores estándar
en rangos de inspección entre 25-70 KHz. *El rango de inspección para recubrimiento bituminoso depende en gran
medida de la condición del bitumen.
Aplicación
Rango típico de inspección en
cada dirección (m)
Condiciones ideales 80+
Tubería 30 años de uso con corrosión interna o externa ligera 40
Tubería 30 años de uso con corrosión generalizada 20
Tubería con elevada corrosión generalizada 5
Tubería con recubrimiento bituminoso o epóxido 5*

44
Generalmente, el rango de inspección depende del tamaño de defecto que se desea detectar.
En muchas aplicaciones industriales el objetivo es la detección de corrosión con pérdidas por
encima de un 10% de sección transversal de la tubería. Si se requiere detectar, defectos más
pequeños, se recomienda modificar la SNR lo que puede en consecuencia modificar el rango de
inspección.
El aumento del rango de inspección depende de la tasa de atenuación de las ondas
ultrasónicas a medidas la está viaja a través de la tubería, la cual va a depender de los fenómenos
de difracción, dispersión y atenuación. La tasa de atenuación, es una medida de cuanta energía se
disipa en un medio específico y se expresa en dB/m o dB/ft.
Los mecanismos de atenuación más comunes, que pueden presentarse solos o combinados
son:
 Producto del tipo de material, debido a distintos tipos de recubrimientos.
 Por dispersión en la superficie; de presentarse superficies ásperas asociadas a
corrosión generalizada
 Reflexiones que se generan por elementos asociados a una tubería; uniones
soldadas, bridas, codos, etc.
 Conversión de modos de onda; la interacción de los modos de onda incidentes con
los elementos de la tubería genera una reducción de la señal, bien sea por la
reflexión de la señal o la conversión de modo axi-simétrico en no axi-simétrico.
 “Leakage” o fuga de la señal; en materiales o medios que rodean a la tubería como
suelo (no tan severo) o concreto (muy severo más aún si el concreto está unido a la
tubería)
4.1.3. Equipos y herramientas
La onda guiada es generada por el efecto piezoeléctrico, posicionando el transductor en
contacto con el material y a través de un pulso eléctrico en el cristal, este genera una vibración
mecánica en la tubería. La energía que se refleja es recibida por el transductor que la convierte en
una señal eléctrica, la cual es representada en el equipo a través de un software de detección.

45
Los equipos de GWUT cuentan con diversos módulos ensamblados en un anillo que se
ajusta a la tubería, los anillos están diseñados para diámetros específicos. Cada módulo individual
contiene una serie de transductores orientados de manera distinta, lo que permite generar los
modos torsionales y longitudinales, las propiedades de los distintos transductores son las mismas,
y solo cambia la orientación. La Figura 4.6 muestra un tipo de anillo que se utiliza en la técnica
por ondas guiadas.
Figura 4.6. Anillo transductor Teletest focus+ usado para la técnica de GWUT y la sonda que contiene los
transductores torsionales y longitudinales.
Para aplicaciones de baja frecuencia como las de GWUT el anillo transductor se pone en
contacto con la tubería sin la necesidad de usar un acoplante. Esto se logra a través de un ajuste
mecánico del anillo entre los dos extremos de este y luego se infla el anillo para presionar lo
transductores en contacto con la tubería. [5]
Los anillos de módulos transductores tienen diversas presentaciones las cuales van a
depender de la empresa que manufacture el equipo. En la actualidad existen tres presentaciones
tal y como se muestra en la Figura 4.7: a) anillos semi-rígidos de sello mecánico, b) vejigas
(bladders) inflables y c) bandas con membranas inflables.

46
Figura 4.7. Distintas presentaciones de los anillos con módulos transductores usados en la técnica GWUT
estos se diferencian según la empresa que manufactura el equipo: a) Plant Integrity Ltd.; b) Guided Ultrasonics Ltd.
y c) Olympus.
Por otro lado, a fin de lograr una evaluación adecuada en una determinada tubería existen
una serie de herramientas, las cuales son consideradas como componentes esenciales de los
sistemas de GWUT, estas son:
 La emisión y recepción de los modos de onda axi-simétricos y no axi-simétricos:
Esto permite al operador distinguir entre elementos simétricos como soldaduras y
elementos no simétricos como los defectos.
 Modificaciones del rango de frecuencia: debido al comportamiento complejo de la
onda guiada, la habilidad de modificar de manera dinámica en un rango de
frecuencias determinados es una herramienta vital en el proceso de análisis.
 Vista de la tubería “desenrollada”: esto permite determinar la orientación de
señales no simétricas, en términos de su posición circunferencial.
4.1.4. Aplicación de la técnica.
Es necesario resaltar que GWUT es una técnica de rastreo que no cuantifica las variaciones
de la sección transversal de la tubería. De este modo, cualquier indicación identificada por la
técnica debe ser identificada según el grado de severidad (menor, moderado o severo) para la
posterior validación de los resultados. La validación se realiza utilizando técnicas de inspección
como: inspección visual, líquidos penetrantes, UT convencional, Arreglo de fases (Phased-
Array); que permitan cuantificar la degradación, caracterizar el defecto y dimensionarlo.
Las indicaciones de ondas guiadas son clasificadas principalmente, en función de su
amplitud y la respuesta de los modos de onda. La amplitud de las indicaciones es usada para

47
establecer los cambios en la sección trasversal (Cross sectional change: CSC) los cuales se
estiman comparando la amplitud de la respuesta con la amplitud de un reflector conocido, usando
las curvas distancia amplitud corregida (Distance amplitude correction: DAC).
Elementos como las bridas refleja el 100% de la señal y son utilizados para establecer las
curvas DAC y estimar los CSC asociados a otras indicaciones de defectología. Debido a que los
anillos transductores de ondas guiadas están segmentados, el análisis de los modos de onda a
través de un efecto pulso/eco de cada una de las sondas de transductores, nos permite estimar la
ubicación circunferencial y la extensión o tamaño de una indicación.
Un ejemplo de estas consideraciones, es el caso de la unión soldada sin defectos de una
tubería. Este elemento, se considera como simétrico, debido a que al cambio en la sección
transversal de la tubería es igual en toda su extensión. Debido a este cambio dimensional
simétrico, la soldadura va a producir una respuesta/reflexión mayormente simétrica a los modos
de onda incidentes. Por lo que lo que cada elementos transductor del anillo, recibirá una señal
similar para un elemento como la soldadura o una brida.
Por el contrario, un defecto localizado producirá una respuesta/reflexión no axi-simétrica,
debido al cambio irregular que este genera en la sección transversal de la tubería. Y la respuesta
recibida por cada uno transductores a este defecto, será distinta; haciendo posible ubicar y
estimar la extensión del defecto.
En base a lo anterior, la identificación de elementos simétricos como soldaduras y bridas, es
fundamental para la técnica bien sea para efectos de calibración o para ubicar las indicaciones
conociendo el punto donde se encuentran dichos elementos. Este comportamiento puede
observarse en la Figura 4.8 donde se presentan señales de elementos simétricos y asimétricos, el
grado de conversión de un modo de onda es un elemento clave para la identificación de defectos
con la técnica de ondas guiadas. [1]

Informe de pasantía Victor Nieto. Factibilidad de implementación técnica de ondas guiadas en los servicios de LIVCA

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