Pruebas de corrientes de Foucault

Las pruebas por corrientes de Foucault (también conocidas como pruebas de corrientes inducidas o ECT ) son uno de los muchos métodos de ensayo electromagnético utilizados en los ensayos no destructivos (END) que emplean la inducción electromagnética para detectar y caracterizar defectos superficiales y subsuperficiales en materiales conductores .

Las pruebas de corrientes de Foucault (ECT, por sus siglas en inglés), como técnica de ensayo, tienen sus raíces en el electromagnetismo . François Arago observó por primera vez las corrientes de Foucault en 1824, pero se le atribuye su descubrimiento al físico francés Léon Foucault en 1855. Las ECT surgieron en gran medida como resultado del descubrimiento de la inducción electromagnética por parte del científico inglés Michael Faraday en 1831. Faraday descubrió que cuando existe un camino cerrado por el que puede circular una corriente y un campo magnético variable en el tiempo atraviesa un conductor (o viceversa), fluye una corriente eléctrica a través de este conductor.

En 1879, otro científico nacido en Inglaterra, David Edward Hughes , demostró cómo cambian las propiedades de una bobina cuando se coloca en contacto con metales de diferente conductividad y permeabilidad, lo que se aplicó a pruebas de clasificación metalúrgica. ^{[ 1 ]}

Gran parte del desarrollo de la tomografía por corrientes de Foucault (TCC) como técnica de ensayo no destructivo para aplicaciones industriales se llevó a cabo durante la Segunda Guerra Mundial en Alemania . El profesor Friedrich Förster, mientras trabajaba para el Instituto Kaiser Wilhelm (más tarde la Sociedad Kaiser Wilhelm ), adaptó la tecnología de corrientes de Foucault al uso industrial, desarrollando instrumentos para medir la conductividad y clasificar componentes ferrosos mixtos. Después de la guerra, en 1948, Förster fundó una empresa, ahora llamada Grupo Foerster , donde logró grandes avances en el desarrollo y la comercialización de instrumentos prácticos de TCC. ^{[ 2 ]}

Las pruebas de corrientes de Foucault son ahora una técnica de inspección ampliamente utilizada y bien comprendida para la detección de defectos, así como para mediciones de espesor y conductividad. ^{[ 3 ]}

El análisis de Frost & Sullivan sobre el mercado global de equipos de END en 2012 estimó el mercado de equipos de END magnéticos y electromagnéticos en 220 millones de dólares, que incluye corrientes de Foucault convencionales, inspección por partículas magnéticas , arreglo de corrientes de Foucault y pruebas de campo remoto . Se proyecta que este mercado crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta del 7,5 % hasta alcanzar aproximadamente los 315 millones de dólares en 2016. ^{[ 2 ]}

En su forma más básica —la sonda ECT de un solo elemento— una bobina de alambre conductor se excita con una corriente eléctrica alterna. Esta bobina produce un campo magnético alterno a su alrededor. El campo magnético oscila a la misma frecuencia que la corriente que circula por la bobina. Cuando la bobina se acerca a un material conductor, se inducen en el material corrientes opuestas a las de la bobina: corrientes parásitas. ^{[ 5 ]}

Las variaciones en la conductividad eléctrica y la permeabilidad magnética del objeto de prueba, así como la presencia de defectos, provocan un cambio en la corriente de Foucault y un cambio correspondiente en la fase y la amplitud que se puede detectar midiendo los cambios de impedancia en la bobina, lo cual es un signo revelador de la presencia de defectos. ^{[ 6 ]} Esta es la base de la ECT estándar (bobina plana). Los kits de END se pueden utilizar en el proceso de prueba de corriente de Foucault. ^{[ 7 ]}

La ECT tiene una amplia gama de aplicaciones. Dado que la ECT es de naturaleza eléctrica, se limita a materiales conductores. También existen límites físicos para la generación de corrientes parásitas y la profundidad de penetración ( profundidad de penetración ). ^{[ 8 ]} Se observa un desfase de 2 radianes (115°) en cada profundidad de penetración, lo que permite mediciones precisas de la profundidad y el espesor de los defectos.

Relacionar las señales de defectos con los tamaños y el rango de relaciones de aspecto necesarios para la evaluación del riesgo de umbral de rechazo y tolerancia al daño es un desafío fundamental para los ingenieros de END. Se ha desarrollado un modelo de regresión para la medición lineal de defectos que proporciona una mayor precisión al aplicarse a datos de matrices de ECT. Este modelo demuestra un ajuste R² ajustado superior y errores de predicción significativamente menores en comparación con los enfoques de regresión lineal y polinómica estándar, particularmente al medir grietas de fatiga semielípticas en la superficie lejana y muescas artificiales. ^{[ 9 ]}

El modelo de calibración de Nichols-Wincheski adopta la siguiente forma logarítmica:

ln(S) = B ₁ · ln(A) + B ₂ · a

dónde:

• S = respuesta de voltaje de la señal
• A = área de defecto
• a = profundidad del defecto en el lado opuesto
• B ₁ , B ₂ = coeficientes de regresión

Implementación en Excel:

1. Columnas: ln( S ), ln( A ), a
2. B ₁ , B ₂ =LINEST(ln(S), ln(A):a, FALSE)
3. S = A ^{B ₁} · e ^{B ₂ · a}

La forma funcional se ajusta a los principios físicos establecidos de las corrientes parásitas, y con ella, la profundidad del defecto se estima en una relación de aspecto supuesta crítica para la evaluación de la tolerancia al daño. El término de ley de potencia ( A ^{B ₁} ) refleja la relación no lineal entre el volumen de dispersión del defecto y la interrupción de la corriente parásita inducida, mientras que el término exponencial ( e ^{B ₂ · a} ) tiene en cuenta la atenuación de la señal debido a los efectos de la profundidad de penetración a medida que los defectos se alejan de la superficie de inspección.

Área defectuosa:

Para defectos superficiales semielípticos, el área del defecto A se determina por la profundidad del defecto a y la relación de aspecto a/c , donde c es la mitad de la longitud de la superficie de la grieta. Esto permite distinguir entre defectos más largos, más fáciles de detectar, con una relación de aspecto de 0,2 y defectos semicirculares más difíciles de detectar, con una relación de aspecto de 1,0, expresados ​​como:

${\displaystyle A={\frac {\pi a^{2}}{2(a/c)}}}$

Esta formulación permite evaluar sistemáticamente el rendimiento del modelo en diferentes geometrías de defectos comunes en las inspecciones. Sin embargo, los análisis de regresión deben limitarse al rango de relaciones de aspecto y profundidades de defectos representados en el conjunto de datos experimentales.

Las dos principales aplicaciones de las pruebas de corrientes de Foucault son la inspección de superficies y la inspección de tuberías. La inspección de superficies se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, pero también en la industria petroquímica . La técnica es muy sensible y puede detectar grietas estrechas. La inspección superficial y volumétrica se puede realizar tanto en materiales ferromagnéticos como no ferromagnéticos. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Las inspecciones optimizadas de matrices ECT, con una profundidad de penetración ajustada cerca del espesor del material y calibrada en muescas de componentes de tamaño reducido de 100 micras de ancho, han revelado profundidades de defectos en la parte posterior a ~60% del espesor. ^{[ 12 ]}

La inspección de tuberías generalmente se limita a tuberías no ferromagnéticas y se conoce como ensayo de corrientes inducidas convencional. Este ensayo se utiliza para inspeccionar tuberías de generadores de vapor en centrales nucleares y tuberías de intercambiadores de calor en las industrias energética y petroquímica. La técnica es muy sensible para detectar y dimensionar picaduras. Permite detectar la pérdida de espesor de pared o la corrosión, pero la medición no es precisa.

Una variante de la técnica de corrientes de Foucault (ECT) convencional para materiales parcialmente magnéticos es la ECT de saturación completa. En esta técnica, las variaciones de permeabilidad se suprimen mediante la aplicación de un campo magnético. Las sondas de saturación contienen bobinas de corrientes de Foucault e imanes convencionales. Esta inspección se utiliza en materiales parcialmente ferromagnéticos, como aleaciones de níquel, aleaciones dúplex y materiales ferromagnéticos delgados, como el acero inoxidable ferrítico de cromo-molibdeno . La aplicación de la técnica de corrientes de Foucault de saturación depende de la permeabilidad del material, el espesor del tubo y el diámetro. ^{[ 13 ]}

Un método utilizado para tubos de acero al carbono es el ensayo de corrientes inducidas en campo remoto. Este método es sensible a la pérdida general de espesor de pared, pero no a pequeñas picaduras ni grietas.

Para sortear algunas de las deficiencias de la ECT convencional, se desarrollaron otras técnicas de ensayo por corrientes de Foucault con resultados diversos.

Pruebas de corrientes de Foucault con fuerza de Lorentz

Otro desafío, aunque físicamente muy relacionado, es la detección de defectos e inhomogeneidades profundas en materiales sólidos conductores de electricidad.

En la versión tradicional de la prueba de corrientes de Foucault, se utiliza un campo magnético alterno (CA) para inducir corrientes de Foucault en el interior del material a investigar. Si el material presenta una grieta o defecto que provoca una distribución espacial no uniforme de la conductividad eléctrica, la trayectoria de las corrientes de Foucault se ve alterada y la impedancia de la bobina que genera el campo magnético alterno se modifica. Al medir la impedancia de esta bobina, se puede detectar una grieta. Dado que las corrientes de Foucault se generan mediante un campo magnético alterno, su penetración en la región subsuperficial del material está limitada por la densidad de flujo (o intensidad del campo magnético) generada por la sonda. Por lo tanto, la aplicabilidad de la versión tradicional de la prueba de corrientes de Foucault se limita al análisis de la proximidad inmediata de la superficie de un material, generalmente del orden de un milímetro. Los intentos de superar esta limitación fundamental mediante el uso de bobinas de baja frecuencia y sensores de campo magnético superconductores no han dado lugar a aplicaciones generalizadas.

Una técnica reciente, denominada ensayo de corrientes parásitas por fuerza de Lorentz (LET), ^{[ 16 ] [ 17 ]} aprovecha las ventajas de aplicar campos magnéticos de CC y movimiento relativo, proporcionando un ensayo profundo y relativamente rápido de materiales conductores de electricidad. En principio, LET representa una modificación del ensayo tradicional de corrientes parásitas, del que se diferencia en dos aspectos: (i) cómo se inducen las corrientes parásitas y (ii) cómo se detecta su perturbación. En LET, las corrientes parásitas se generan mediante el movimiento relativo entre el conductor bajo ensayo y un imán permanente (véase la figura). Si el imán pasa cerca de un defecto, la fuerza de Lorentz que actúa sobre él muestra una distorsión cuya detección es clave para el principio de funcionamiento de LET. Si el objeto está libre de defectos, la fuerza de Lorentz resultante permanece constante.

• Corriente de Foucault
• Ensayos no destructivos
• Medición de campo de corriente alterna
• Medidor de cubierta
• Detector de metales
• Efecto en la piel
• Pruebas de corrientes de Foucault con barrido de frecuencia (SFECT)

• Tutorial sobre el arreglo de corrientes de Foucault
• Introducción a las pruebas de corrientes inducidas del centro de recursos NDE/NDT. Archivado el 7 de mayo de 2006 en Wayback Machine.
• Introducción a las pruebas de corrientes de Foucault por Joseph M. Buckley (pdf, 429 kB)
• Ensayos de corrientes de Foucault de nivel 2 , Organismo Internacional de Energía Atómica, Viena, 2011 (pdf 5,6 MB).
• Norma ASTM E3052: Práctica estándar para el examen de soldaduras de acero al carbono mediante un arreglo de corrientes de Foucault.
• Página web oficial de Lorentz Force Velocimetry y Lorentz Force Eddy Current Testing Group. Archivada el 17/11/2013 en Wayback Machine.
• Vídeo sobre ensayos de corrientes de Foucault , Universidad de Ciencias Aplicadas de Karlsruhe