SISTEMA PARA MEDIR EL GROSOR DE UN CUERPO HUECO

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se encuadra dentro del campo de análisis no destructivo de materiales. La invención emplea la deformación que sufre un material para determinar su grosor o espesor y con ello, por ejemplo, otras propiedades como su estado de conservación, su robustez, capacidad de resistir esfuerzos en una zona concreta, verificación de especificaciones de diseño, vida útil restante, etc.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Existen varias técnicas no destructivas de medición del espesor o grosor actualmente. Un tipo de técnica, de carácter mecánico, se basa en el empleo de un micrómetro. El micrómetro es un dispositivo de medida que posee dos extremos que se aproximan progresivamente, generalmente mediante un tornillo de rosca.

A pesar de ser fácil de usar, el micrómetro cuenta con limitaciones importantes. Es necesario eliminar mecánicamente las capas no deseadas de materiales accesorios para realizar la medición. Este proceso de eliminación de capas no deseadas en ocasiones no es viable. Por ejemplo, puede ser fácil de eliminar si el cuerpo hueco es un tubo y la zona a medir está en el exterior. En cambio, es complicado si la capa no deseada se encuentra en la parte interior si el tubo es de cierta longitud, e imposible si no hay acceso por alguno de sus extremos.

Además, incluso cuando es viable la retirada de las capas no deseadas, el micrómetro solamente alcanza a pocos centímetros del extremo abierto del tubo, por lo que no es posible hacer una medición más allá de unos pocos cm (generalmente, sobre unos 20 cm).

Existen otro tipo de técnicas basadas en ultrasonidos que, a su vez, presentan limitaciones. Las técnicas de ultrasonidos son útiles para detectar ciertos defectos en un cuerpo, tales como grietas, fisuras, cráteres, etc. Sin embargo, los dispositivos basados en ultrasonidos no son capaces de medir con suficiente precisión un grosor, especialmente si el cuerpo presenta suciedad. Otro inconveniente es que precisan personal formado para su utilización y para la interpretación del resultado. Adicionalmente mencionar que, es imprescindible la preparación de las superficies. Si no se acondicionan, el resultado queda falseado a causa de la diferencia de densidades si el material presenta vahas capas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un sistema para medir el grosor de un cuerpo hueco de acuerdo con la reivindicación independiente de manera más general. Realizaciones particulares se definen en las reivindicaciones dependientes. El grosor que se mide corresponde típicamente con el material original constituyente del cuerpo hueco.

El sistema utiliza la deformación elástica esperada de una capa de material sobre el que se aplica una carga, es decir, una fuerza conocida.

El sistema utiliza un análisis por elementos finitos para calcular las deformaciones esperables para la geometría y material del cuerpo con vahos valores de referencia. Típicamente, para cuerpos que han sido producidos industhalmente, se realiza un análisis por elementos finitos para el valor nominal de fábrica y para un conjunto de diferentes gruesos inferiores. Por ejemplo, si un tubo es de 0 60 mm con pared de 2 mm, se calculan las deformaciones para pared de 2 mm, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6... etc.

Una de las ventajas principales de la presente propuesta es la capacidad de eliminar o de discriminar la parte no resistente del material en la medición, habilitando a su vez, la medición en cualquier punto del perfil, de una forma no destructiva. Es muy versátil y puede trabajar con cuerpos pintados, oxidados, que presenten suciedad, sumergidos en líquidos, que transporten fluidos a baja presión, etc.

Una de las aplicaciones industriales de la presente invención es la medición del grosor de una capa de material de un producto. Por ejemplo, cuando el material está formando un cuerpo hueco, concretamente cuando además de la capa de material cuyo grosor se desea medir, existan capas de otros materiales. Tal es el caso típico de un tubo de material metálico que presente en su cara interior y/o exterior, capas adheridas de óxidos, pinturas u otros residuos. El grosor adicional que aportan estas capas suplementarias al total no suele ser de interés para identificar zonas problemáticas. Por ejemplo, zonas debilitadas estructuralmente por el adelgazamiento del material encargado de aportar resistencia al cuerpo. BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

FIGS. 1A-1 B: Muestran esquemas explicativos del principio de funcionamiento de la invención.

FIGS. 2A-2B: Muestran ejemplos de aplicación de la invención.

FIG. 3: Muestra gráficamente la función espesor de pared frente a la deformación medida.

FIGS. 4: Muestra un diagrama de bloques funcionales de una realización de la presente invención.

FIG. 5A.- Muestra una vista esquemática de una posible realización de la presente invención.

FIG. 5B.- Muestra una vista esquemática de una parte de la realización mostrada en la FIG. 5A en mayor detalle.

REFERENCIAS NUMÉRICAS

1 Dispositivo de pretensión.

2 Dispositivo de aplicación.

3 Dispositivo de alineación.

4 Elemento elástico de respuesta lineal.

5 Punzón de aplicación.

6 Elemento de acoplamiento para micrómetro.

7 Micrómetro.

71 Parte deslizable del micrómetro.

72 Parte fija del micrómetro.

8 Bastidor.

9 Unidad de aplicación de fuerza. 11 Cuerpo hueco.

10 Usuario.

12 Capa exterior.

13 Capa interior.

14 Unidad de medición de desplazamiento.

15 Unidad de comparación.

16 Memoria.

17 Procesador.

18 Interfaz de usuario.

20 Sistema para medir el grosor.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Para una mejor comprensión de la presente invención, se describen diversos aspectos, con carácter ilustrativo y no limitativo, mediante las figuras anteriormente.

La FIG. 1 A muestra una vista en perfil de un cuerpo hueco 11 , concretamente un tubo, en dos momentos diferentes: antes de, y durante la aplicación de una fuerza. La fuerza se ejerce a través de una pareja de punzones de aplicación 5 opuestos entre sí entre los que se ubica el cuerpo hueco 11. Estos punzones se comportan como identadores pero sin llegar a dejar una impresión permanente. Así se genera un hundimiento temporal o flexión de la superficie colindante del cuerpo hueco 11 que contacta con el punzón de aplicación 5. Ello produce, visto en sección transversal, un cambio transitorio en la forma del cuerpo hueco 11 que se traduce en una disminución de la distancia (e.g. diámetro) entre dos puntos del cuerpo hueco 11 . Esta disminución de la distancia puede ser medida como un desplazamiento vertical en la dirección de la fuerza.

Por ejemplo, si el cuerpo hueco 11 es un tubo o conducto de sección circular, entonces bajo la acción de la fuerza aplicada, cambia temporalmente la geometría de su sección y pasa de ser circular a ser elíptica. Cuando se retira la fuerza, el tubo o conducto vuelve al estado original recuperando la geometría circular de su sección.

La FIG. 1 B muestra una vista lateral del cuerpo hueco 11 mientras se le aplica una fuerza a través de los punzones de aplicación 5 opuestos entre sí. Se observa un pequeño hundimiento en la zona de aplicación que es medióle. En la FIG. 2A se presenta un ejemplo en el que aplicar ventajosamente la presente invención. Se muestra una estructura esquemática de un cuerpo hueco 11 de metal (por ejemplo, acero) cubierto por dos capas. Una capa exterior 12, típicamente de pintura y una capa interna 13, por ejemplo, de óxido. Si se desea conocer el grosor de material originario del cuerpo 11 , e2, se ha de restar el grosor, e1, de la capa exterior 12, y el grosor, e3, de la capa interior 13. Por ejemplo, para calcular la resistencia de la sección de material del cuerpo 11 (momento de inercia, momento polar de inercia, superficie...), se debe determinar el valor de e2, que es el grosor de metal que no ha sido afectado por la corrosión y, por lo tanto, es el espesor resistente.

La FIG. 2B muestra un ejemplo con un corte de un cuerpo hueco 11 correspondiente a un tubo donde se aprecia un área sobre la que el punzón aplica la fuerza (con un diámetro del punzón de 9 mm). También se indican los ejes de simetría radial y longitudinal del cuerpo 11.

La FIG. 3 muestra gráficamente la función espesor de pared - deformación producida en un cuerpo hueco, en particular para un tubo redondo (sección circular). Las deformaciones se calculan bajo una fuerza F de una magnitud que no exceda el límite elástico del material. Se realiza un análisis por elementos finitos, y bajo una fuerza de determinada, se traza el gráfico que relaciona la deformación producida, medida como un desplazamiento relativo en la superficie (aparece un hundimiento superficial temporal) del cuerpo hueco con el espesor resistente de dicho cuerpo hueco.

En este caso, se obtiene como resultado: y = -985, 3x ³ + 314,97x ² - 38,984x + 3, 1342; donde y es el valor del espesor de la pared en mm y x es valor del desplazamiento por deformación en la superficie en mm. Esta función y proporciona directamente el espesor de pared del cuerpo hueco en función del desplazamiento medido x.

La FIG. 4 se presenta un diagrama de bloques funcionales de acuerdo con una realización del sistema 20 que ¡lustra las relaciones entre algunas de las unidades que, con carácter general, pueden formar parte del mismo sistema 20.

El sistema 20 incluye una unidad de aplicación de fuerza 9 que aplica una fuerza de deformación sobre el cuerpo hueco 11. Como parte del sistema 20, una unidad de medición de desplazamiento 14 mide la deformación temporal producida en el cuerpo hueco 11. Habitualmente, la deformación se mide como un desplazamiento por hundimiento de la superficie en esa zona respecto a su estado previo, esto es, antes de aplicar fuerza.

Existe un modelo de elementos finitos correspondiente al cuerpo hueco 11 que proporciona información de cómo se comporta frente a diferentes magnitudes de fuerza (esto es, cuánto se desplaza la superficie del cuerpo). Este modelo puede estar almacenado en una memoria 16. Una unidad de comparación 15, generalmente incluye un procesador 17 que accede a la memoria 16 y realiza una comparación entre el valor de desplazamiento medido por la unidad de medición de desplazamiento 14 y su correspondiente en el modelo de elementos finitos para una fuerza de igual valor a la aplicada por la unidad de aplicación de fuerza 9.

Según sea la disparidad de la comparación entre el valor teórico y el medido, se puede establecer una conclusión acerca de las propiedades del cuerpo hueco 11. Una posibilidad es establecer varios rangos en función de la desviación respecto del valor teórico y/o considerando a qué utilización se destina.

Por ejemplo, una desviación del 5% puede ser no significativa pero una desviación del 25% sí. Por ejemplo, se puede exigir más robustez estructural si el cuerpo hueco se destina a transporte de fluido a presión que si se destina a transporte por gravedad. Definiendo uno o vahos umbrales de desviación, se pueden establecer diferentes recomendaciones o actuaciones: monitohzar, reemplazar, reparar, etc. Por ejemplo, si el cuerpo hueco es una pieza básica en una instalación o aparato, la desviación máxima tolerable puede ser mucho menor que si se trata de una pieza no esencial.

Estas recomendaciones o actuaciones pueden ser configurables en el procesador 17 en función de diferentes criterios. Por ejemplo, a través de una interfaz de usuario para entrada/salida 18 de información, se permite seleccionar uno o varios criterios, como el tiempo desde la anterior y/o la siguiente inspección, la utilización, el grado de importancia en una instalación, etc. También se puede mostrar visualmente el resultado de la comparación. Por ejemplo, la interfaz 18 puede realizarse como una pantalla táctil con la que un usuario 10 pueda interactuar con el sistema 20. Con esto se pueden verificar especificaciones de diseño, también se puede inferir su estado de conservación, su robustez, su resistencia a esfuerzos localizados, vida útil restante, próxima inspección, etc.

La FIG. 5A muestra una vista simplificada según una realización concreta de un sistema 20 para medir el grosor de un cuerpo 11 con vahos de sus elementos constructivos.

Para realizar conjuntamente la unidad de medición del desplazamiento y para la unidad de aplicación de fuerza explicadas en la FIG. 4, se prevé un bastidor 8 donde se monta el cuerpo 11 ubicado entre dos brazos enfrentados. Uno de estos brazos es un dispositivo de pretensión 1 cuya función es mantener el cuerpo hueco 11 en posición cuando se aplica fuerza. El otro brazo es un dispositivo de aplicación 2 que es desplazadle horizontalmente. Ambos dispositivos 1 , 2, y opcionalmente, en cooperación con un tercer dispositivo de alineación 3 que permite la regulación vertical de la posición, asientan y sostienen al cuerpo 11 en una posición fija para presionarlo. El dispositivo de aplicación 2 está acoplado con un elemento elástico 4 y con un punzón de aplicación 5.

También hay un elemento de acoplamiento 6 para acoplar rígidamente el punzón de aplicación 5 del sistema 20 con un dispositivo de medición, que en esta realización es un micrómetro 7, con el que se obtiene suficiente precisión.

En la FIG. 5B se muestra en mayor detalle varios elementos de la realización del sistema de la FIG. 5A. Se puede usar como elemento de acoplamiento 6 un pasador de acero unido solidariamente por un primer extremo al punzón de aplicación 5 (por ejemplo, atornillado), y por otro segundo extremo unido a la parte deslizante 71 del micrómetro 7, preferentemente, de manera que pueda desmontarse fácilmente. Esta parte deslizante 71 está montada sobre una parte fija 72 del micrómetro 7. Así, el desplazamiento del punzón de aplicación 5 se transmite a la parte deslizante 71 del micrómetro 7 o en general de otro dispositivo de medida.

Se ha de entender que las referencias vertical y horizontal corresponden con la posición en el dibujo de la FIG. 5A. El sistema 20 no requiere una disposición u orientación específica para ser empleado.

Para mayor claridad del sistema 20, se explica el funcionamiento durante una medición:

- El primer paso es colocar el cuerpo 11 en el sistema 20. Se debe regular el dispositivo de alineación 3 para alinear correctamente el eje de aplicación de las fuerzas F0 y F1 según se haya simulado previamente mediante el análisis de elementos finitos.

- Seguidamente, se pone a cero la lectura del micrómetro 7.

- A continuación, se aproxima el dispositivo de aplicación 1 hacia el cuerpo hueco 11 que se va a medir. Por ejemplo, en una realización se utiliza un tornillo y se aproxima manualmente hasta que apriete ligeramente el cuerpo 11 contra el dispositivo de pretensión 1 y ejerce una fuerza F0.

- Seguidamente, se actúa sobre el dispositivo de aplicación 2. Por ejemplo, en una realización existe un tornillo con un recorrido limitado y conocido que produce un desplazamiento y ejerce una fuerza F1. Este desplazamiento conocido se aplica a su vez sobre un elemento elástico, por ejemplo, una arandela Belleville -un tipo de muelle con forma de arandela tronco-cónica- o un elemento análogo que posea una respuesta fuerza frente a deformación cuasi lineal en un rango de interés.

- Tras actuar con un desplazamiento limitado sobre el dispositivo de aplicación 2, el punzón 5 está ejerciendo una fuerza conocida sobre el cuerpo 11. En este momento, se registra la lectura del micrómetro 7, valor d1.

- Posteriormente, el dispositivo de aplicación 2 se desplaza hasta el límite opuesto para retirar la tensión.

- Seguidamente, se registra la lectura del micrómetro 7, valor dO. El valor absoluto de la diferencia d1-d0, la deformación (hundimiento) que F1 ha generado sobre el perfil, que es el valor que hay que comprobar en la gráfica de la función matemática deformación-espesor.

Otras formas de realización son posibles que difieran en cómo son las fuerzas que se aplican. Por ejemplo, pueden realizarse versiones con otros actuadores para ejercer fuerzas de tipo neumático, oleo-hidráulico, por contrapeso, eléctricas, etc. También en el dispositivo de medida empleado, en lugar de un micrómetro otros sensores podrían ser usados.

Análisis por elementos finitos:

Es una técnica de simulación por computador para modelar numérica y matemáticamente cuerpos de cualquier geometría y/o material. Esta técnica ofrece la posibilidad de simular el comportamiento de un cuerpo bajo diversas condiciones de fuerzas, temperatura, presión, etc. Estas tareas se realizan mediante computador que ejecutan en sus procesador(es) programas de software. En el caso de elementos mecánicos, se dibuja en 3 dimensiones el cuerpo a modelar. A continuación, se sectoriza su volumen en pequeñas porciones, lo que se conoce como mallado. Sobre esta malla tridimensional se simula, por ejemplo, la aplicación de fuerzas. Esta malla tridimensional obedece a las leyes físicas del material a estudiar. Así, de forma matemática, puede determinarse su comportamiento. Por ejemplo, cómo se deforma el cuerpo bajo una fuerza, hasta dónde puede deformarse sin llegar a la rotura, etc..