Capítulo 2: Parámetros Fisicoquímicos en Líquidos Penetrantes

Como ya hemos visto existen diversos componentes claves para la ejecución del método de líquidos penetrantes, entre ellos:

• Penetrante
• Revelador
• Emulsificador
• Solvente

Cada uno de los materiales mencionados tiene que cumplir ciertas características para poder brindar buenos resultados en la ejecución del método.

Pero para poder hablar de las características que deben cumplir cada uno de estos componentes tenemos que hablar de ciertos parámetros fisicoquímicos que son fundamentales de conocer para poder entender la ciencia del método de líquidos penetrantes.

1.    Tensión Superficial

Desde un punto de vista físico la tensión superficial es la cantidad de energía que requiere un líquido para aumentar su superficie. Esto traducido a una forma más coloquial lo podríamos decir como es la cantidad de energía que requiere una superficie liquida para romperse. Y podemos asociarlo con el ejemplo clásico de tensión superficial, muchos insectos son capaces de desplazarse a través de la superficie del agua sin hundirse debido a que no tienen suficiente peso como para romper esa tensión superficial, tal y como se ve en la siguiente figura.

Ahora bien, esa tensión superficial es producida por el contacto entre las moléculas del líquido que producen una fuerza de cohesión entre si promoviendo esa tensión superficial.

Más adelante veremos que el agua es uno de los grandes contaminantes en el método de líquidos penetrantes a pesar de que se utiliza como removedor. Y el motivo por el cual el agua es un contaminante es debido a que su tensión superficial es bastante alta lo cual produce que remover el agua de las discontinuidades no sea tarea fácil y por lo tanto previene la penetración del líquido penetrante generando una mala inspección.

Por otra parte, la importancia de la tensión superficial es que el fenómeno de capilaridad depende de la tensión superficial. Más adelante explicaremos la capilaridad, pero para entender el impacto vamos a ver la siguiente figura.

En la figura anterior podemos ver la tensión superficial representada por las líneas de unión de color negras. Además, apreciamos las fuerzas de cohesión mencionada anteriormente que básicamente es producto de las relaciones intermoleculares del líquido representadas por las líneas azules. Y por último vemos otra fuerza que es representada por las líneas rojas que básicamente son las fuerzas de adhesión entre el líquido y el sólido que está representado por las paredes de este orificio.

Ahora bien, dependiendo de la tensión superficial que básicamente seria hablar de los valores de la cohesión y de la adherencia el fluido tendrá dos posibilidades:

1. Mojar la superficie.
2. No mojar la superficie.

Tal y como apreciamos en la figura anterior tenemos dos casos, en el primero vemos que el resultado de los esfuerzos genera que el extremo que está en contacto con la pared vaya hacia abajo y en el segundo caso el líquido sube levemente. En el segundo caso lo que ocurre es que la fuerza de adherencia es mayor que la fuerza de cohesión y lo que está haciendo es mojar la superficie.

Claramente vemos que la tensión superficial es un factor clave en evaluar si el fenómeno de capilaridad.

2.    Fenómeno de Capilaridad

El fenómeno de capilaridad es uno que ocurre de manera natural y básicamente lo que provoca es la ascensión de un líquido dentro de un tubo capilar (un tubo estrecho) que para nosotros de manera conveniente lo podemos llamar discontinuidad.

Ahora bien, este fenómeno ocurre debido a que el líquido se adhiere a las paredes del tubo capilar y asciende dentro del tubo. Esto es producto de la tensión superficial que permite que el líquido ascienda levemente y luego la adhesión genera la ascensión.

Este fenómeno de ascensión ocurre hasta que el peso de la columna de agua se equilibre con la fuerza vertical generada por la tensión superficial y la adherencia. Este fenómeno se aprecia la claramente en la figura 2.1.2.

El fenómeno de capilaridad es dependiente del fluido, básicamente la curvatura que se genera producto de la tensión superficial generara ese fenómeno. En la siguiente figura podemos apreciar el efecto.

En la siguiente figura se aprecian dos tubos capilares uno con Mercurio y otro con Agua. La curvatura del menisco determinará si el líquido podrá ascender o no. Este fenómeno es determinado por la explicación dada en la parte de Tensión Superficial.

3.    Mojabilidad o Humectabilidad

Esta característica básicamente se puede sintetizar en la capacidad que tiene el líquido de mojar o humedecer la superficie del solido con el que se encuentra en contacto.

Si buscamos una definición más técnica podemos decir que es la capacidad que tiene un líquido para mantener contacto con una superficie sólida. Y esa mojabilidad es determinada por las interacciones intermoleculares de dichos componentes.

Por lo tanto, la mojabilidad de un líquido se determina por las fuerzas cohesivas y adhesivas. Estas fuerzas las explicaremos a continuación en función de un líquido:

• Fuerzas Cohesivas: Las fuerzas cohesivas dentro de un líquido son las fuerzas que causan que una gota del líquido se haga una esfera.
• Fuerzas Adhesivas: Las fuerzas adhesivas entre un líquido y una superficie son las que causan que el líquido se esparza o extienda sobre la superficie.

La mojabilidad es un factor determinante en la capacidad de un líquido para poder mojar la superficie y si lo atamos con el método de líquidos penetrantes es una característica clave. En la siguiente figura podemos apreciar el impacto que tiene la mojabilidad en la capacidad que tiene un líquido de esparcirse sobre una superficie:

En la figura anterior podemos observar tres casos en los cuales de izquierda a derecha vemos como aumenta la mojabilidad del líquido sobre la superficie del sólido. Ahora bien, la mojabilidad ciertamente está determinada por el balance entre las fuerzas adhesivas y cohesivas, pero hay otro factor que tenemos recalcar que es el ángulo de contacto que será explicado más adelante.

Pero si pensamos en el efecto de esta característica sobre la inspección con líquidos penetrantes debemos pensar directamente en que la capacidad que tenga el líquido de esparcirse sobre la superficie será fundamental para que el líquido pueda buscar e ingresar en las discontinuidades. Por lo tanto, se busca una buena mojabilidad en los líquidos penetrantes.

4.    Angulo de Contacto

El ángulo de contacto está determinado por la mojabilidad del líquido con respecto a la superficie evaluada y esto es algo que hay que comprender. La habilidad que tiene el líquido de mojar una superficie no está determinada solamente por el líquido, el sólido juega un papel fundamental debido a que la mojabilidad depende de la interfaz Solido-Liquido y ambos componentes determinan la mojabilidad.

Una forma de determinar la mojabilidad en función de una superficie es a través del ángulo de contacto.

El impacto que tiene la superficie lo podemos apreciar en diversos materiales industriales que se utilizan para ropa para usar bajo la lluvia, la ropa impermeable. Este tipo de materiales genera un ángulo de contacto sumamente alto y disminuye la capacidad del líquido de mojar la superficie.

Un caso natural de este efecto lo podemos ver en las flores de loto que tienen un ángulo de contacto mayor que 150 grados lo que la vuelve sumamente hidrofóbica. En la siguiente figura apreciamos este caso.

Tal y como se observa en la figura anterior el agua no es capaz de humedecer la flor debido al ángulo de contacto. Podemos decir que esta interfaz liquido-solido tiene un ángulo sumamente alto y por lo tanto una mojabilidad muy baja.

En la siguiente figura podemos ver de manera general el comportamiento en del líquido en función del ángulo de contacto.

A medida que al ángulo aumenta la mojabilidad disminuye. En el caso de líquidos penetrantes se busca que el líquido tenga el menor ángulo posible para poder mojar la superficie fácilmente. Si hablamos de valores numéricos podemos decir que usualmente los valores comerciales de líquidos penetrantes son ángulos menores a 10 grados.

Ya apreciamos el efecto del ángulo de contacto en la mojabilidad. Pero también podemos determinar las características de la interfaz solido-liquido en función del mismo ángulo de contacto. Esto lo podemos apreciar en la siguiente figura.

Como podemos ver tenemos 4 tipos de superficies en función del ángulo de contacto, pero para los efectos del curso de líquidos penetrantes solamente hablaremos de la superficie hidrofóbica e hidrofílica. Los efectos de estas superficies los podemos apreciar en la siguiente tabla.

Como podemos ver tenemos 4 tipos de superficies en función del ángulo de contacto, pero para los efectos del curso de líquidos penetrantes solamente hablaremos de la superficie hidrofóbica e hidrofílica. Los efectos de estas superficies los podemos apreciar en la siguiente tabla.

4.1 Parámetros que influyen en el ángulo de contacto

El ángulo de contacto es un parámetro sumamente importante en los resultados de la prueba de líquidos penetrantes ya que como mencionamos anteriormente de esto dependerá la capacidad del líquido de mojar y subsecuentemente de entrar en las discontinuidades a través del fenómeno de capilaridad. Que si pensamos en la capilaridad recordemos que depende de la capacidad del líquido para subir en la superficie por la adherencia y a su vez la adherencia del líquido depende del ángulo de contacto así que por transitividad podríamos decir que la capilaridad que es el fenómeno físico clave en este método depende del ángulo de contacto.

Así que debido a la importancia del ángulo de contacto aquí presentaremos algunos factores que afectan directamente el ángulo de contacto y que hay que tener presentes para garantizar buenos resultados en la inspección.

• Temperatura: El ángulo de contacto es dependiente de la temperatura. Esto se debe a que la tensión superficial de la superficie variará dependiendo de la superficie y por lo tanto el ángulo de contacto también se verá afectado. De manera general podemos decir que a medida que aumenta la temperatura de la superficie el ángulo de contacto aumenta.

No es bueno que la temperatura aumente debido a que disminuirá la mojabilidad del líquido penetrante además que afectara la integridad del líquido penetrante, más adelante veremos el efecto de la temperatura en el líquido penetrante como tal.

• Rugosidad de la superficie: La rugosidad es un factor clave con respecto al ángulo de contacto y por lo tanto en el ángulo de contacto.

Si lo pensamos de manera práctica podemos pensar que una superficie rugosa tendrá: más superficie efectiva que abarcar, mayor dificultad para que un líquido se propague de manera eficiente y la capacidad de mojar la superficie.

Una superficie lisa tendrá un solo ángulo de contacto a lo largo de toda la superficie, pero una superficie rugosa tendrá un ángulo de contacto aparente que se puede calcular con la siguiente formula.

Como podemos apreciar en la fórmula anterior la rugosidad de la superficie tiene un impacto directo en el ángulo de contacto, pero también se ve afectada por la superficie y debido a esto podemos establecer las siguientes relaciones:

• En superficies con muy baja mojabilidad el ángulo de contacto aumenta con un incremento de la rugosidad de la superficie.
• En superficie con muy buena mojabilidad el ángulo de contacto disminuye con el aumento de la rugosidad de la superficie.

Por otra parte, es bueno mencionar que la temperatura también tiene un efecto con respecto al impacto de la rugosidad. A mayores temperaturas se disminuye la influencia que tiene la rugosidad, pero esto dependerá de la naturaleza del líquido.

5.    Viscosidad

La viscosidad es la característica que poseen los fluidos de oponerse al flujo y esta oposición es producto de la fricción molecular interna.

Esta característica se asocia a la fuerza de cohesión del líquido, mientras menos interacción ocurra entra las moléculas internas menor será la viscosidad porque tendrán menos fricción entre sí.

Desde un punto de vista del método de líquidos penetrantes tenemos que decir que la viscosidad no afectara las habilidades penetrantes de un líquido, pero lo que si afectara será el tiempo que le tome a dicho liquido penetrar en una discontinuidad.

Si un líquido es demasiado viscoso el tiempo requerido para llevar a cabo el ensayo será muy alto. Por otra, si el líquido es muy poco viscoso también podemos tener un problema ya que se escurrirá muy rápidamente y no ingresará en aquellas discontinuidades poco profundas.

Así que la característica de la viscosidad es sumamente importante y debe ser la adecuada para tener los mejores resultados en la inspección.

De manera general podemos evaluar la viscosidad desde un punto de vista matemático para entender las relaciones que posee con otros parámetros y para ello evaluemos la siguiente formula.

Esta fórmula seria la forma de calcular la viscosidad del líquido evaluado, pero sabemos que para nosotros como inspectores realmente el valor de viscosidad no afectara la inspección, sino que afectara el tiempo de inspección. Así que desde un punto de vista práctico sería mejor evaluar la fórmula que dictamine el tiempo de penetración y para ello podemos despejar T y sustituir V y P por otras representaciones. Luego del cálculo tendríamos la siguiente formula.

Finalmente podemos decir que esta última forma nos puede dar las relaciones claves del tiempo de inspección porque sabemos que dependerá de la viscosidad, pero además podemos establecer los siguientes comentarios:

• El tiempo de penetración es directamente proporcional a la viscosidad.
• La longitud del tubo capilar determinara el tiempo de penetración.
• La tensión superficial es inversamente proporcional al tiempo de penetración.
• El radio del tubo capilar es inversamente proporcional al tiempo de penetración.

Ciertamente las relaciones mencionadas anteriormente son producto de la ecuación matemática, pero si hacemos algunas consideraciones practicas desde el punto de vista de la inspección con líquidos penetrantes podemos establecer lo siguiente:

• Usualmente la longitud L o mejor dicho la profundidad que llegan las discontinuidades es relativamente pequeña y por lo tanto el tiempo de penetración suele ser pequeño también. Pero el tiempo de penetración debe ser determinado para la inspección. Esto es cierto al menos que la viscosidad del fluido sea muy alta.
• Viscosidades muy altas suelen significar perdida del penetrante ya que se puede quedar pegado en la superficie de su contenedor en zonas que no son de interés y si juntamos el acumulado terminamos teniendo perdidas de material que se traducen en costos. Y desde un punto de vita de la inspección como tal tendremos tiempos de trabajos muy altos que también podríamos asociar a mayores costos.

6.    Penetrabilidad

La penetrabilidad es la habilidad de un líquido de ingresar en una discontinuidad. Un líquido penetrante debe tener buena penetrabilidad para poder efectuar el método no destructivo.

Si relacionamos la penetrabilidad con algunas de las características fisicoquímicas mencionadas anteriormente podemos establecer lo siguiente:

• Si relacionamos la penetrabilidad con la tensión superficial podemos decir que una penetrabilidad alta significa una alta tensión superficial. Aunque tener una alta tensión superficial no significa necesariamente que se va a tener una buena penetrabilidad.
• Si relacionamos la penetrabilidad con el ángulo de contacto podemos decir que un ángulo de contacto pequeño significa una alta penetrabilidad.
• La viscosidad no afecta significativamente la penetrabilidad. Lo que afectará será el tiempo de penetración.

Un punto sumamente importante de recordar con respecto a la penetración del líquido penetrante en una discontinuidad es que ciertamente el fluido penetrara gracias al fenómeno de capilaridad y esto es clave en el método de inspección. Porque si no se conoce la física detrás del ensayo uno puede asumir que el líquido ingresa en las discontinuidades debido a la gravedad, pero ya que la penetración viene dada por la capilaridad es importante recalcar que no importa la orientación del ingreso de la discontinuidad.

Por otra parte, si nos interesa calcular la penetrabilidad de un líquido lo podemos hacer a través del uso de la siguiente formula:

Hasta ahora no habíamos hablado directamente del radio de curvatura, pero si hemos hablado sobre si el líquido es cóncavo o convexo dentro del tubo capilar y sabemos que un requerimiento para poder subir por la pared es que presente una forma cóncava. Ahora bien, esa concavidad es medible a través del radio de curvatura que presente y esto lo podemos apreciar en la siguiente figura.

En la imagen A de la figura anterior podemos apreciar un tubo capilar que tiene la acción de subir por la pared, la imagen B no tiene la capacidad por la pared y la imagen C denota la relación de ángulos entre el radio del tubo capilar y el radio de curvatura. Si escribimos esa relación tenemos la siguiente formula.

Si esta relación la introducimos en la fórmula de que asocia la penetrabilidad y la tensión superficial tendríamos una expresión que asociara el tamaño del tubo capilar con respecto a la penetrabilidad. Esa ecuación seria la siguiente:

Entonces todo lo que hemos visto hasta ahora se puede sintetizar en esta última ecuación y a partir de esta ecuación podemos hacer los siguientes comentarios:

• A medida que aumenta la tensión superficial aumenta proporcionalmente la penetrabilidad. (Esto ya lo habíamos mencionado anteriormente pero ahora ya lo demostramos matemáticamente).
• El tamaño del tubo capilar es inversamente proporcional a la penetrabilidad. Mientras más pequeño sea el tubo capilar mejor penetrabilidad tendrá el líquido. Y recordemos que para el método de inspección el tubo capilar es equivalente a las discontinuidades.
• Si el Angulo de contacto es menor que 90 grados la penetrabilidad será igual a cero. Y esto lo asociamos con la concavidad del líquido y la capacidad de mojar la superficie producto de la adherencia.

7.    Punto de Incendio

El punto de incendio es la temperatura a la cual un líquido inflamable puede incendiarse espontáneamente a través del vapor desprendido.

Esta característica fisicoquímica es de altísima importancia sobre todo cuando los trabajos que se tiene que efectuar son a temperaturas elevadas. No podemos correr el riesgo de que nuestros implementos de trabajo se incendien espontáneamente.

De manera general una temperatura adecuada para el punto de incendio en los líquidos penetrantes de por encima de los 93°C.

En el caso de trabajos que se desempeñen a temperaturas aún más altas debido a la pieza que se tiene que evaluar se deberá trabajar con líquidos penetrantes especiales que su punto de incendio permita su uso a dichas temperaturas, esto se verá más adelante en el manual

Ahora un punto sumamente importante de conocer es la relación del punto de incendio específicamente con la viscosidad.

• La viscosidad es directamente proporcional con el punto de incendio.

Esta relación es un problema porque evidentemente una solución podría ser buscar la composición química del penetrante que resulte en un punto de incendio mucho mayor y evitamos el problema del incendio espontaneo, pero ya que la viscosidad del penetrante aumenta esto no se puede hacer. Como vimos en el punto de viscosidad tener una viscosidad alta no es bueno para la inspección.

8.    Actividad Química

La actividad química básicamente es el potencial químico que tienen de interactuar con otra sustancia, podríamos pensar en una reacción química sencilla entre dos componentes.

Esta característica es importante de entender debido que el líquido penetrante en si es un componente químico que estará en contacto con la pieza sujeta a ser evaluada de manera no destructiva y por ello no podemos permitir que el líquido penetrante reaccione de ninguna manera en el objeto evaluado.

Es por ello que hay que verificar que el material a evaluar y los distintos materiales utilizados en el método de inspección sean químicamente compatibles.

El ejemplo más claro y reseñable en los líquidos penetrantes es cuando el objeto a inspeccionar es:

• Aceros Inoxidables Austeníticos.
• Aleaciones de Titanio.
• Aleaciones de Níquel.

Estos tres materiales son sumamente sensibles a la presencia de cloruros, fluoruros y sulfuros ya que interactuaran con el material produciendo problemas de corrosión y esto es algo que evidentemente no podemos permitir.

La actividad química debe ser evaluada y en el caso de que el material no sea compatible habrá que evaluar el uso de otro tipo de líquido penetrante o inclusive otro método de inspección.