evaluación de la calidad de adherencia en la interfase metal

EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DE ADHERENCIA EN LA INTERFASE
METAL-ELASTÓMERO EN PROBETAS NORMALIZADAS MEDIANTE
ULTRASONIDO
M. Ricupero *, F. Fraudita*, D. Pereira(a) y H. Figueroa(b)
(a)
* Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales UCV- Departamento de Física Aplicada de la Facultad
(b)
de Ingeniería UCV - Departamento de Tecnología de Materiales PDVSA Intevep
Ciudad Universitaria - Los Chaguaramos - Apartado 51.717 - Caracas 1050 - Venezuela
e-mail [email protected] - [email protected]
Se estudió la factibilidad de emplear la técnica de inspección no destructiva por ultrasonido en probetas normalizadas a fin de
determinar la calidad de adherencia en la interfase metal-elastómero que forma parte del estator del sistema de levantamiento artificial
de pozos por Bombas de Cavidad Progresiva.
La inspección no destructiva por ultrasonido fue realizada sobre probetas normalizadas para ensayos de adherencia según Norma
ASTM D429 las cuales fueron elaboradas simulando diferentes condiciones de interfase. Se evaluó la influencia de la preparación
superficial de la interfase en las mediciones y las variaciones en el espectro de frecuencias de las señales ultrasónicas.
A través de las mediciones realizadas se determinó que frecuencias de 5 y 10 MHz permiten una mejor determinación de la calidad de
la interfase. También se determinó que la presencia de contaminantes y de capas de aire pueden producir una alteración de la señal
ultrasónica indicando de esta forma el estado en el que se encuentra la interfase. En el análisis de frecuencia realizado se determinó que
el contenido de energía y la amplitud del espectro cambian notoriamente con la variación de la condición de la interfase.
This paper presents studies on the feasibility of applying ultrasonic non destructive testing techniques to determine the bonding
quality at the metal-elastomer interface of standardized test samples that simulate the interface of progressive cavity pumps
employed in oil wells artificial lift.
The ultrasonic nondestructive inspection was carried out on test samples specially prepared to perform bonding tests according to
standard ASTM D429. Different types of samples that simulated a variety of interface conditions were prepared. The influence of
the surface preparation at the interface was evaluated as well as the variations of the scattered ultrasonic frequency spectrum with the
interface conditions. As a result of the measurements it could be concluded that frequencies of 5 and 10 MHz allow for a better
sampling of the interface. It was also determined that the presence of trapped air bubbles and other contaminants such as oil, can
significantly affect the ultrasonic signal, revealing this way the presence of this type of anomalies in that region. The analysis of the
frequency spectra for the different samples showed that the energy content and the amplitude profile vary substantially with the
interface conditions.
I. INTRODUCCION
Las bombas de cavidad progresiva (BCP) se emplean
ampliamente en la industria petrolera y en gran cantidad
de aplicaciones industriales, ya que presentan ventajas
como la simplicidad de operación y diseño, bajos costos,
facilidad de mantenimiento e instalación en comparación
con otros métodos de levantamiento artificial.
Las bombas de Cavidad Progresiva(1) están constituidas
por dos elementos operacionales básicos: Un rotor
fabricado de un material metálico y un estator fabricado
con un material elastomerico soportado por una carcaza.
Al emplearse las bombas en el sistema de levantamiento
artificial en la industria petrolera, se presentan fallas en las
mismas que ocasionan pérdidas tanto por el costo de las
bombas, como por las paradas operacionales.
Las fallas más frecuentes ocurren en la cavidad de estator
y en la interfase elastomero-carcaza. En la cavidad del
estator se pueden producir fallas cohesivas ( por ejemplo,
hinchamiento o ampollamiento, agrietamiento) y fallas
ocasionadas por el tipo de crudo del pozo ( abrasión,
desgaste y agrietamiento del material elastomérico).
En la interfase elastomero-carcaza se presentan fallas
adhesivas entre el elastómero del estator y el metal de la
carcaza. Esto hace que el ajuste entre el rotor y el estator
no sea adecuado ocasionando fallas en el sistema de
bombeo.
Por esta razón, si se puede determinar la calidad de
adherencia en la interfase carcaza-estator, es posible
reducir las pérdidas generadas por las fallas de las
bombas. En este sentido, la técnica de inspección no
destructiva por ultrasonido puede resultar adecuada para
tal fin (2,3,4).
II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Probetas para ensayos de adherencia
Estas probetas se prepararon según la norma ASTM D
429 método B(5). La forma y dimensiones se muestran en
la fig.1
Figura 1. Arreglo experimental empleado en las mediciones
ultrasónicas de probetas para ensayos de adherencia.
Todas las probetas fueron preparadas con un elastómero
de nitrílo convencional (159) y con laminas de acero al
carbono.
Las condiciones de preparación superficial de las probetas
se variaron de la siguiente manera:
• Probeta tipo I
Identificación: NG
Cantidad de probetas elaboradas: 5
Elastómero empleado: 159
Adhesivo empleado: ninguno
Lámina empleada: acero al carbono
Preparación superficial: si
Contaminación superficial: ninguna
• Probeta tipo II
Identificación: NB
Cantidad de probetas elaboradas: 5
Elastómero empleado: 159
Adhesivo empleado: Chemosil 360
Lámina empleada: acero al carbono
Preparación superficial: ninguna
Contaminación superficial: ninguna
• Probeta tipo III
Identificación: OC
Cantidad de probetas elaboradas: 5
Elastómero empleado: 159
Adhesivo empleado: chemosil 360
Lámina empleada: acero al carbono
Preparación superficial: si
Contaminación superficial: aceite
• Probeta tipo IV
Identificación: N
Cantidad de probetas elaboradas: 10
Elastómero empleado: 159
Adhesivo empleado: chemosil 360
Lamina empleada: acero al carbono
Preparación superficial: si
Contaminación superficial: ninguna
II. INSPECCION CON ULTRASONIDO
Los ensayos se realizaron utilizando un equipo de
ultrasonido marca Panametrics, modelo Epoch III 2300,
palpadores de 5, 10 y 15 MHz , aceite de mediana
viscosidad como acoplante y pulso de onda rectificada.
Para la calibración se empleo una plancha metálica de 2,1
mm de espesor libre de pintura y óxido y se eligió un eco
que se encuentre en la zona del campo lejano, a objeto de
obviar el fenómeno de superposición de ondas que se
produce en el campo cercano. Sobre el palpador se colocó
un peso constante de aproximadamente 0.250 Kg. Para
evitar las posibles variaciones en la amplitud por fallas del
operador del equipo. Se realizaron tre(3) mediciones por
muestra.
IV. ANALISIS DE FRECUENCIA
Se efectuó un análisis de frecuencia a las 25 muestras
descritas anteriormente. Este análisis se realizó utilizando
un osciloscopio marca Hewlett Packard, modelo 54603B,
60 MHz, una tarjeta de interfase osciloscopio- PC, marca
Hewlett Packard, modelo HP 82340 y un programa de
aplicaciones matemáticas (6,7). El pulso en radiofrecuencia.
El arreglo experimental se muestra en la fig. 2
Figura 2. Arreglo exp erimental para la realización de los análisis
de frecuencia.
V. RESULTADOS Y DISCUSION
Se agruparon todos los valores de amplitud de las
probetas del mismo tipo, se promediaron y se obtuvo una
desviación estándar para cada tipo de probetas,
obteniéndose bandas de amplitud de la señal para cada
tipo de probeta a cada frecuencia empleada, tal como se
muestra en las figs. 3, 4 y 5.
Figura 3. Bandas de amplitudes promedios del primer eco
reflejado de cada tipo de probeta para ensayos de adherencia,
frecuencia empleada: 5 MHz.
Figura 4. Bandas de amplitudes promedios del primer eco
reflejado de cada tipo de probeta para ensayos de adherencia,
frecuencia empleada: 10 MHz.
Figura 5. Bandas de amplitudes promedios del primer eco
reflejado de cada tipo de probeta para ensayos de adherencia,
frecuencia empleada: 15 MHz.
puede estar presente un problema de falta de contacto en
las interfases y, si la amplitud del eco reflejado es menor a
los valores de la banda, no se tiene una idea clara de la
condición en la que se encuentra la interfase.
Para una frecuencia de 10 MHz, si el eco reflejado se
encuentra a una altura entre 15.96% y 21.04% se puede
notar la ausencia de preparación de la superficie de
contacto metal - elastómero. Las amplitudes de las
probetas tipo III y IV se solapan entre 11% y 12%, por
tanto, no se puede establecer claramente la condición de
la interfase si al momento de inspeccionar una bomba de
Cavidad progresiva, bajo las mismas condiciones, la altura
del eco reflejado se encuentra dentro de esos valores. La
banda de amplitud de la probeta tipo I se solapa con la de
las probetas tipo II y IV. Para diferenciar una probeta del
tipo I se debe realizar una inspección a 5MHz.
Para frecuencia de 15 MHz, se presenta un solapamiento
de las bandas de amplitud de todos los tipos de probetas
evaluados. Los valores de amplitud medidos presentan
una gran dispersión. Esto se debe a que a la frecuencia de
15MHz, el tamaño de la longitud de onda es menor que el
de los palpadores de 10 y 5MHz y se pueden detectar mas
irregularidades en la interfase.
El espectro de frecuencia de cada una de las señales del
osciloscopio, fue obtenido aplicando la transformada
rápida de Fourier (FFT) y también se midió la amplitud de
la señal RF. En las figs. 6, 7 y 8, se muestran las señales
RF típicas captadas del osciloscopio .
En la tabla 1 se presentan los valores de amplitud
promedio y sus desviaciones estándar para cada tipo de
probeta y para cada frecuencia empleada.
PROBETA
A.P.±D.S
(5MHz)
A.P.±D.S
(10MHz)
A.P.±D.S
(15MHz)
Tipo I
46.60±2.20
15.60±2.03
40.73±4.20
Tipo II
41.92±0.90
18.50±2.54
35.50±8.93
Tipo III
40.47±1.85
10.73±1.28
26.13±3.66
Tipo IV
41.50±1.98
13.50±1.94
32.60±5.18
Tabla 1. Promedio de las amplitudes de los ecos reflejados
para cada tipo de probeta para ensayos de adherencia a
las frecuencias de 5, 10 y 15 MHz.
En la fig. 3, se puede observar que a una frecuencia de 5
MHz es fácilmente diferenciable una probeta tipo I del
resto de las probetas. Las bandas de amplitud de las
probetas tipo II,III y IV se solapan entre si, pero no lo
hacen con las probetas de tipo I. Estos resultados nos
indican que si al momento de una bomba con un palpador
de 5MHz nos encontramos que la amplitud del primer eco
reflejado en el campo lejano está entre 44.4% y 44.8% de la
altura de la pantalla, podemos inferir que en ese punto
inspeccionado no existe adhesivo( probeta tipo I). Si la
amplitud del eco reflejado es mayor que estos valores,
Figura 6. Señal típica de RF captada del osciloscopio al realizar
mediciones ultrasónicas en probetas para ensayos de adherencia
a una frecuencia de 5 MHz.
Figura 7. Señal típica de RF captada del osciloscopio al realizar
mediciones ultrasónicas en probetas para ensayos de adherencia
a una frecuencia de 10 MHz.
Figura 8. Señal típica de RF captada del osciloscopio al realizar
mediciones ultrasónicas en probetas para ensayos de adherencia
a una frecuencia de 15 MHz.
A una frecuencia de 5 MHz el ancho del pulso que es
reflejado, es mayor que la separación entre los pulsos
sucesivos, por lo que ocurre un solapamiento de las
señales, tal como se aprecia en la fig. 6. A esta frecuencia
es imposible captar una de las señales para realizarle un
análisis espectral. Este solapamiento no ocurrió cuando se
emplearon frecuencias de 10 y 15 MHz cuyos anchos de
pulso son menores y poseen un poder de resolución
mayor cuando la inspección se realiza sobre superficie de
pequeño espesor. Estas señales, para 10 y 15MHz son
entonces las adecuadas para realizar un análisis espectral.
En las figs. 9 y 10 se muestran los espectros promedios
para cada tipo de probeta para las frecuencias de 10 y 15
MHz respectivamente.
Figura 9. Espectro de frecuencia promedio para cada tipo de
probeta para ensayos de adherencia, frecuencia empleada: 10
MHz.
Figura 10. Espectro de frecuencia promedio para cada tipo de
probeta para ensayos de adherencia, frecuencia empleada: 15
MHz.
Al realizar el análisis espectral de cada una de las probetas
a las frecuencias de 10 y 15 MHz, podemos apreciar que
no existen cambios apreciables en lo que respecta al
ancho de banda y al perfil(forma) de los espectros de
frecuencia, pero, las amplitudes y los contenidos de
energía de las señales si lo hacen de una manera notoria.
La energía del espectro puede aproximarse al área bajo la
curva del espectro de frecuencia y la misma es
aproximadamente igual a la energía de la señal. La
medición de la energía de los espectros, puede, por lo
tanto, constituirse en una variable que aporte diferencias
entre los diferentes tipos de condiciones de adherencia. El
área bajo la curva fue calculada empleando la integración
por el método trapezoidal.
Del análisis de frecuencia de las señales del osciloscopio,
se puede apreciar que existe una alta dispersión de los
valores de las mediciones de las amplitudes de las señales
RF y de las energías de los espectros de frecuencia, lo
cual no permite la determinación de la condición de la
interfase.
Esta situación nos induce a realizar un análisis destructivo
con la finalidad de determinar la calidad de preparación de
las probetas suministradas. Mediante la utilización de la
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
NUEVA
CLASIFICACIÓN
CAPA DE
ACEITE
CAPA DE AIRE
X
X
X
X
X
CAPA DE ÓXIDO
PREP.
SUPERF.
I 1*
I 2*
I 3*
I 4*
I 5*
II 1
II 3
II 4*
II 5
III 1
III 2
III 3*
III 4
III 5
IV 1*
IV 2
IV 3*
IV 4*
IV 5
IV 6*
IV 7
IV 8
IV 9
SISTEMA
ADHESIVO
PROBETA
Microscopía Electrónica de Barrido(MEB) se realiza un
análisis de la interfase y de la rugosidad superficial de las
probetas. De este estudio se logró establecer que las
condiciones indicadas por el fabricante, no eran las
condiciones reales de la interfase de dichas probetas.
Una vez hecho este análisis, se agrupan de nuevo las
probetas y se obtiene la clasificación que se muestra en la
tabla 2.
D1
D2
A1
A2
A3
B1
A4
A5
A6
D3
C1
C2
C3
C4
D4
C5
D5
D6
C6
D7
D8
D9
C7
IV 10
X
X
X
C8
PREP. SUPERF.: Perfil de anclaje adecuado.
SISTEMA ADHESIVO: Sistema adhesivo en al interfase.
CAPA DE ÓXIDO: Ocasionada por la falta de preparación
superficial.
CAPA DE AIRE: Con tamaños del orden de media
longitud de onda en grandes zonas.
CAPA DE ACEITE: Con tamaños del orden de media
longitud de onda en grandes zonas.
*: En esta probetas no fueron realizados estudios de MEB,
su nueva clasificación está basada en la mediciones
ultrasónicas.
Tabla 2. Nueva clasificación de las probetas para ensayos
de adherencia.
En la tabla 3, se muestran los valores de la amplitud
promedio y sus desviaciones estándar para la nueva
clasificación de las probetas.
PROBETA
A.P.±D.S
(5MHz)
A.P.±D.S
(10MHz)
A.P.±D.S
(15MHz)
Tipo A
44.8±3.3
17.9±2.5
41.1±5.5
Tipo B
42.0±1.0
15.3±0.6
24.3±1.5
Tipo C
40.3±1.7
11.3±1.6
28.0±4.2
Tipo D
42.8±2.1
14.2±1.8
32.2±5.6
A.P.±D.S: Amplitud promedio ± Desviación estándar.
Tabla 3. Promedio de las amplitudes de las mediciones
ultrasónicas con onda rectificada para cada tipo de la
nueva clasificación de las probetas para ensayos de
adherencia a las frecuencias de 5, 10 y 15 MHz.
En las figs. 11 y 12 se han graficado en bandas la
respuesta ultrasónica por pulso eco para la nueva
clasificación de las probetas a las frecuencias de 5 y
10MHz.
Figura 11. Banda de amplitud promedio para la nueva
clasificación de cada tipo de probeta para ensayos de adherencia,
frecuencia empleada 5 MHz.
Figura 12. Banda de amplitud promedio para la nueva
clasificación de cada tipo de probeta para ensayos de adherencia,
frecuencia empleada 10 MHz.
A partir de estas figuras se puede observar que a la
frecuencia de 10MHz cuando aparecen picos entre 15,4%
y 20,4% se tienen probetas con posibles burbujas de aire
atrapado( probetas tipo A) y a alturas de pico inferiores a
12,9% se tienen las probetas contaminadas con aceite(
probetas tipo C). Existe una superposición de las bandas
de amplitud para las probetas tipo B y D que no permiten
ver claramente las diferencias entre ellas. A la frecuencia
de 5 MHz no fue posible distinguir las probetas con capas
de óxido de aquellas sin daños. Sin embargo, se puede
identificar aire atrapado así como la contaminación por
aceite. El aire atrapado mostró una reflexión entre 41,5% y
48,1%, mientras que la contaminación por aceite generó
respuestas ultrasónicas entre 38,6% y 42%.
En las figs. 13 y 14 se muestran las bandas de amplitudes
promedio de la señal RF y las bandas de energía promedio
de los espectros de frecuencia para la nueva clasificación
de las probetas .
Al comparar las figs. 12, 13 y 14, se puede apreciar que el
comportamiento de las bandas es el mismo en los tres
tipos de análisis de la señal ultrasónica que se realizaron.
Se puede deducir entonces, que al inspeccionar la
interfase de una BCP, se pueden determinar condiciones
de preparación de la interfase metal-elastómero que no
son deseadas: si la reflexión de la señal es muy alta, es
indicativo de la presencia de burbujas de aire atrapadas en
la interfase y, si aumenta la transmisión del ultrasonido
entre el metal y el elastómero es indicativo de la presencia
de contaminantes del tipo aceite. La presencia de capas de
óxido ocasionada por una mala preparación de las
probetas, no se puede determinar claramente y se puede
confundir con una buena preparación de la superficie.
A la frecuencia de 15 MHz, la dispersión de la data no
permitió establecer un criterio adecuado para establecer
comportamientos típicos con un determinado tipo de
preparación de las probetas.
VI. CONCLUSIONES
•
Figura 13. Bandas de amplitud promedio de la señal RF para la
nueva clasificación de cada tipo de probeta para ensayos de
adherencia, frecuencia empleada 10 MHz.
•
•
•
Figura 14. Bandas de energía promedio del espectro de
frecuencias para la nueva clasificación de cada tipo de probeta
para ensayos de adherencia, frecuencia empleada 10 MHz.
En ambos caso, se pueden diferenciar tres bandas de
amplitudes o de energía de los espectros: (a) Una banda
superior conformada por las probetas con burbujas de aire
atrapadas en sus interfases (probetas tipo A), (b) Una
banda central conformada por las probetas con las
mejores condiciones de preparación de la interfase
(probetas tipo D); (c) una banda inferior conformada por
las probetas que presentan en sus interfases
contaminantes del tipo aceite (probetas tipo C). Las
probetas que presentaban en sus interfases
contaminación del tipo capas de óxidos (probetas tipo B)
no pudieron ser bien diferenciadas debido a que sus
bandas se superponían con las bandas de los otros
grupos de probetas.
Los espectros de frecuencia de las señales no varían
notablemente su ancho de banda y su perfil por la
presencia de diferentes clases de preparación
superficial.
Los cambios apreciables ocurren en amplitud del
espectro y, por lo tanto, en el contenido de energía.
A la frecuencia de 10 MHz es posible determinar la
existencia de contaminantes del tipo de aceite y la
presencia de burbujas de aire atrapadas en la
interfase.
La presencia de contaminantes del tipo de óxido no se
puede determinar a través de las mediciones
ultrasónicas realizadas bajo las condiciones
empleadas.
VII. REFERENCIAS
1. -Revard, J. “ The progressing cavity pump Handbook”,
PennWell Publishing Company, Tulsa (1995).
2. -Figueroa h. y Castillo D.,¨ Técnica Ultrasónica para la
inspección de bombas BCP¨, Doc. Técnico Nº INT 3729,
los Teques, 1997.
3. - Metals Handbook, ¨Ultrasonic testing¨, ASM, Nineth
Edition,1985,pp.33.32-33.40.
4. - Szilard j., ¨Ultrasonic Testing, Non-convencional
testing techniques¨, john Wiley &Sons Ltd.,1982,pp.511512.
5. -ASTM D429 - Method B
6. - Etter D., ¨ Solución de problemas de ingeniería con
MatLab¨, Prentice Hall, segunda edición,1997,pp241-244.
7. - Hsu h., ¨ Análisis de Fourier ¨, Addisson- Wesley
Iberoamericana,EUA,1987.