Capítulo 4: Tipos de Corriente

Tipos de Corriente para Magnetización

Existen diversos tipos de corriente que podemos implementar para magnetizar el componente evaluado. Los diversos tipos de corriente brindaran un poder de magnetización diverso que impactara en la fuerza del campo magnético resultante en el componente y por lo tanto en los resultados de la inspección.

A continuación, listamos los tipos de corrientes que se pueden implementar en partículas magnéticas:

• Corriente Directa – Conocida como DC.
• Corriente Alterna – Conocida como AC.
• Corriente Alterna Rectificada
  • Corriente Alterna Rectificada de Media Onda – HWAC
  • Corriente Alterna Rectificada de Onda Completa de una fase – FWAC
  • Corriente Alterna Rectificada de Onda Completa de tres fases – FWAC

1. Corriente Directa

La corriente directa es un tipo de corriente que fluye constantemente en una dirección a un voltaje constante. El ejemplo más común sería una batería. En la siguiente figura podemos apreciar lo comentado.

Tal y como se aprecia en la figura anterior podemos observar como la corriente directa mantiene una sola polaridad y se mantiene constante. La corriente directa es sumamente útil ya que brinda un poder de penetración mayor que otros tipos de corriente. Por lo tanto, permite una inspección de las discontinuidades subsuperficiales.

1.1 Ventajas de Corriente Directa

• La polaridad es constante.
• El voltaje se mantiene constante.
• Tiene un buen poder de penetración que permite la inspección de discontinuidades subsuperficiales.

1.2 Desventajas de Corriente Directa

• Los generadores de corriente directa usualmente proveen la corriente a voltajes más altos por lo tanto existe riesgo de generar “arcing”.

2. Corriente Alterna

La corriente alterna es una que fluctúa entre una carga positiva y negativa, sigue el comportamiento de la función seno tal y como se aprecia en la siguiente figura.

En la figura anterior podemos apreciar como la corriente alterna fluctúa entre valores positivos y negativos. Al compararla con la corriente directa presente en la gráfica podemos apreciar como la corriente directa mantiene un valor constante a lo largo del tiempo.

Ahora bien, la gráfica nos muestra como la polaridad de la corriente se reversa en función del tiempo, pasando de positivo a negativo y luego de negativo a positivo. Esa fluctuación ocurre con una frecuencia normalmente de entre 50 y 60 ciclos por segundo, es decir 50-60 Hz.

La corriente alterna es el tipo de corriente más implementado para el método de partículas magnéticas ya que su disponibilidad la hace muy conveniente por su presencia en los circuitos eléctricos de casas, instalaciones industriales y muchos otros. El voltaje que se suministra comercialmente varía dependiendo de la región, pero de manera general podemos decir que se encuentra entre 100 y 240 voltios. Ahora bien, la facilidad de implementar este tipo de corriente es que se requiere de un transformar sencillo que convierta el voltaje en uno bajo con una corriente de alto amperaje.

La fluctuación de la corriente brinda un gran beneficio a la inspección debido a que esto permite una agitación de las partículas magnéticas colocadas en la superficie de la pieza evaluada lo cual mejora su movilidad y en consecuencia tendrán una mejor respuesta a las fugas de campo magnético.

Este tipo de corriente ofrece la mejor capacidad de detección para discontinuidades superficiales. Pero para el caso de discontinuidades subsuperficiales no es adecuada y esto se debe a que tiene poco poder de penetración dentro del componente.

La falta de poder penetración de este tipo de corriente se debe a un fenómeno llamado “Skin Effect”, este fenómeno se debe al cambio de polaridad de la corriente alterna. Debido a esto el campo magnético generado por este tipo de corriente es fácilmente removible debido a esa penetración superficial

Por lo tanto, este tipo de corriente se ve limitado para la inspección de discontinuidades subsuperficiales.

2.1 Ventajas de Corriente Alterna

• La polaridad fluctúa constantemente entre positiva y negativa.
• Excelente sensibilidad para las discontinuidades superficiales.
• Brinda una excelente movilidad a las partículas magnéticas.

2.2 Desventajas de Corriente Alterna

• No tiene capacidad de detectar discontinuidades subsuperficiales.
• No se recomienda implementar la corriente alterna con el método residual de inspección.

2.3 Efecto de superficie – “Skin Effect”

El efecto de superficie es sumamente importante a tomar en cuenta en el caso de corriente alterna ya que limita la profundidad de la inspección.

La limitación se puede explicar con la ley de Lenz. Esta ley, en términos sencillos, lo que establece es que cuando se induce un campo magnético este tendrá el sentido opuesto al campo magnético que lo indujo.

Sabemos que la corriente alterna induce un campo magnético en la pieza evaluada que será contraria a la de la corriente alterna y acarrea que se tendrá una profundidad de penetración limitado.

La profundidad de penetración estándar es aquella en la que la corriente inducida tiene un 37% de la densidad de la corriente en la superficie, más allá de esto no es viable para inspección.

Como podemos observar al inspeccionar con corriente alterna nos vemos limitados a la superficie del componente y es por ello que este fenómeno se llama efecto de superficie o “Skin Effect”.

Si queremos ir paso más allá podemos asociar que la penetración en este caso la podemos asociar con la frecuencia de la corriente inducida. En el caso de técnicas electromagnéticas como Corrientes Inducidas la correcta selección de la frecuencia es fundamental para obtener buenos resultados.

3. Corriente Alterna Rectificada

La corriente alterna puede ser pasada por un rectificador para generar otros tipos de corriente y esto alivia muchísimo al método de partículas magnéticas ya que la facilidad del uso de corriente alterna la vuelve prácticamente necesaria y como sabemos la corriente alterna no funciona para la detección de discontinuidades subsuperficiales.

A continuación, presentamos los tipos de corriente rectificada implementada en el método de partículas magnéticas:

• Corriente Alterna Rectificada a media onda – HWAC
• Corriente Alterna Onda Completa de Una Fase – FWAC
• Corriente Alterna Onda Completa de Tres Fases – FWAC

Estos tipos de corriente también se conocen como corriente directa rectificada de media onda y de onda completa.

3.1 HWAC – Corriente Alterna de Media Onda

La corriente alterna de media onda se genera al pasar la corriente alterna a través de un rectificador. Este fenómeno se observa en la siguiente figura.

Tal y como se aprecia en la figura anterior el resultado de pasar corriente alterna por un rectificador hará que la corriente solamente fluya en un sentido. Esto se aprecia en que en la onda rectificada solamente se aprecia el máximo positivo mientras que el recorrido negativo podemos decir que se elimina. En la figura se aprecia como el valor máximo es el mismo que el de la corriente alterna.

Podemos decir que la HWAC es un tipo de corriente pulsante en la cual solamente se tiene una polaridad y hay intervalos en los que no hay flujo de corriente.

Esta corriente pulsante beneficia la movilidad de las partículas magnéticas, especialmente en el caso de partículas secas, y por lo tanto aumenta la sensibilidad de la inspección.

Otro beneficio que brinda este tipo de corriente es que los campos magnéticos generados en la pieza penetran a lo largo del mismo, no se limitan a la superficie como la corriente alterna.

Por lo tanto, la HWAC tiene la capacidad de detectar discontinuidades subsuperficiales. En el caso de las superficiales también las podrá detectar, pero no tendrá tanta eficacia como la corriente alterna.

3.1.1 Ventajas de HWAC

• Puede detectar discontinuidades subsuperficiales.
• Debe ser implementada con el método de inspección continua.

3.1.2 Desventajas de HWAC

• Tiene menos sensibilidad que la corriente alterna para las discontinuidades próximas a la superficie.

3.2 FWAC – Corriente Alterna de Onda Completa de una fase

La corriente alterna de media onda completa de una fase se genera al pasar la corriente alterna a través de un rectificador. Este fenómeno se observa en la siguiente figura.

Tal y como se aprecia en la figura anterior el resultado de pasar corriente alterna por un rectificador hará que la corriente solamente fluya en un sentido. Pero a diferencia del HWAC en este caso no se elimina la fase negativa, sino que se invierte la polaridad.

Esto produce una corriente directa pulsante sin intervalos entre los pulsos. De manera adicional, y como se ve en la figura se puede pasar la FWAC a través de un filtro para suavizar los picos bruscos del cambio de polaridad.

Este tipo de corriente no brinda una movilidad tan buena como HWAC debido a la reducción de la pulsación. Pero esto si mejora la profundidad de inspección.

Si se compara con la onda completa de tres fases podemos decir que tienen el mismo poder de penetración.

3.2.1 Ventajas de FWAC de una Fase

• Puede detectar discontinuidades subsuperficiales. La profundidad de inspección es mayor que la HWAC.
• Brinda poca movilidad a las partículas.

3.2.2 Desventajas de FWAC de una Fase

• No tiene una ventaja sustancial sobre HWAC.
• La movilidad de las partículas se ve disminuida en comparación a HWAC.
• Consume más corriente de la línea de AC en comparación a HWAC.

3.3 FWAC – Corriente Alterna de Onda Completa de tres fases

Un tipo de corriente con diversas aplicaciones es la corriente trifásica, esta consta de tres corrientes alternas monofásicas que poseen la misma frecuencia pero que tienen una diferencia con respecto a su fase. En la siguiente figura se observa la gráfica de una corriente trifásica.

Este tipo de corriente brinda ciertas ventajas desde un punto de vista de ingeniería eléctrica, pero con respecto al método de partículas magnéticas podemos decir que este tipo de corriente se puede pasar a través de un rectificador para generar una FWAC de tres fases. Este fenómeno se observa en la siguiente figura.

Como podemos observar en la figura anterior al pasar la corriente trifásica por el rectificador resulta una corriente con un voltaje casi constante, teniendo una pulsación muy pequeña. Posteriormente dicha corriente se puede pasar por un filtro y se genera una corriente con un voltaje constante muy similar a lo que sería la corriente directa.

La corriente trifásica es sumamente útil ya que como podemos observar se puede generar una corriente muy similar a la DC. El detalle de este tipo de corriente es que se tiene que tener el equipamiento adecuado para poder trabajarla.

La corriente trifásica es el tipo de corriente más utilizado para la inspección de partículas magnéticas que requieren de alto amperaje. Podemos pensar en valores de 10.000A o 20.000A El costo inicial de estos equipos es mucho mayor en comparación a las otras técnicas.

Los sistemas estacionarios de partículas magnéticas suelen estar conectador con corriente alterna de tres fases siendo un gran beneficio para la inspección ya que fácilmente se puede trabajar con AC y DC en la pieza inspeccionada.

3.3.1 Ventajas de FWAC de tres Fases

• Puede detectar discontinuidades superficiales.
• Genera un tipo de corriente muy similar a la DC.

3.3.2 Desventajas de FWAC de tres Fases

• El equipo implementado para trabajar con corriente trifásica no es portátil.

4. Comparación del Poder de Penetración

Como ya se ha mencionado la corriente alterna, producto del efecto de superficie, no tiene un buen poder de penetración resultando en la incapacidad de detectar discontinuidades subsuperficiales.

Una manera sencilla de plasmar la diferencia en el poder de penetración es mediante una prueba de levantamiento de peso. Esto debido a que mientras mayor profundidad tenga la magnetización el peso que podrá levantar será mayora. En la siguiente figura podemos ver la comparación.

En la figura A.1 se observa un yugo electromagnético con corriente alterna levantado un peso de 2kg, sin ningún problema. En el caso A.2 la magnetización generada por la corriente alterna no es suficiente para levantar 3kg.

Repitiendo el ejercicio, pero con corriente directa observamos en las imágenes B.1 y B.2 como el yugo logra levantar los pesos sin dificultad.

Con esto se refleja claramente como la corriente directa tiene un poder de penetración mayor que la corriente alterna.

5. Distribución de la magnetización en el componente

Como ya hemos observado la magnetización del componente varía dependiendo del tipo de corriente implementada.

Ahora bien, la distribución del campo a lo largo del volumen de dicha pieza es muy importante comprenderlo para saber que alcance tendrá nuestra inspección mediante partículas magnéticas.

5.1 Evaluación de la distribución en un cilindro

Caso I: Corriente Directa en material conductor no ferromagnético

En la siguiente figura podemos apreciar la gráfica de la distribución en un cilindro que es de un material conductor no ferromagnético. Dicha magnetización se logra al pasar corriente directa a través del componente.

En la figura anterior podemos observar el comportamiento de la distribución magnética. De dicha imagen podemos sacar diversas conclusiones:

• La distribución magnética en el centro del componente es igual a cero.
• La distribución magnética en el borde del componente llega a su punto máximo.
• El campo externo generado por la magnetización disminuye a medida que se distancia del componente.

Caso II: Corriente Directa en material ferromagnético

En la siguiente figura podemos apreciar la gráfica de la distribución en un cilindro que es de un material ferromagnético. Dicha magnetización se logra al pasar corriente directa a través del componente.

En la figura anterior podemos observar el comportamiento de la distribución magnética. De dicha imagen podemos sacar diversas conclusiones:

• La distribución magnética en el centro del componente es igual a cero.
• La distribución magnética en el borde del componente llega a su punto máximo.
• El poder de magnetización es mayor que en el componente no ferromagnético y esto se debe a la permeabilidad magnética que brinda la pieza.
• El campo externo generado por la magnetización disminuye a medida que se distancia del componente.
• El campo externo es igual que el generado en el material no ferromagnético, siempre y cuando la corriente y radio de la pieza evaluada sean iguales.

Caso III: Corriente Alterna en material ferromagnético

En la siguiente figura podemos apreciar la gráfica de la distribución en un cilindro que es de un material ferromagnético. Dicha magnetización se logra al pasar corriente alterna a través del componente.

En la figura anterior podemos observar el comportamiento de la distribución magnética. De dicha imagen podemos sacar diversas conclusiones:

• La distribución magnética en el centro del componente es igual a cero.
• La distribución magnética en el borde del componente llega a su punto máximo.
• La mayor cantidad de distribución magnética se acumula próximo al borde del componente. Esto se debe al efecto de superficie (Skin effect).
• El campo externo generado por la magnetización disminuye a medida que se distancia del componente.

5.2 Evaluación de la distribución en un cilindro hueco

A manera de abarcar la gran mayoría de casos que podemos encontrar en la industria evaluemos los mismos tres casos presentados en el punto anterior pero haciendo la salvedad de que el componente en vez de ser un cilindro solido es un cilindro hueco.

En la siguiente figura podemos observar el resultado de los tres casos.

Tal y como se observa en la figura anterior podemos deducir que el comportamiento de los tres casos es prácticamente el mismo que para un cilindro sólido. La diferencia es que la distribución magnética en vez de llegar al cero en el centro hipotético del cilindro, alcanza el cero en la superficie interna del cilindro hueco.

Si pensamos en la inspección de este tipo de componente se puede sugerir una alternativa gracias al vacío que tiene. Se puede generar una magnetización mediante un conductor central, esto se verá en detalle más adelante.

Pero para entender superficialmente este tipo de magnetización básicamente significa en colocar un material conductor a lo largo de ese espacio vacío y pasar una corriente eléctrica a través del mismo. Esto generara una magnetización por inducción en la pieza evaluada. El resultado de la distribución de esta magnetización lo podemos evaluar en la siguiente figura.

En la figura anterior podemos observar el comportamiento de la distribución magnética. De dicha imagen podemos sacar diversas conclusiones:

• Esta técnica de magnetización es más beneficiosa para la inspección de la superficie interna y externa ya que se aprecia como la distribución de la magnetización es más alta mediante esta técnica.
• La distribución magnética en el borde interno del componente llega a su punto máximo y disminuye a medida que se acerca al borde externo.