Tuberías de HDPE: Inspección por ultrasonido de ondas guiadas

Las tuberías de HDPE (polietileno de alta densidad) son esenciales en redes de agua, gas y productos químicos, gracias a su resistencia a la corrosión, flexibilidad y larga vida útil. No obstante, pueden sufrir grietas y defectos invisibles causados por esfuerzos operativos o ambientes agresivos.

El ultrasonido de ondas guiadas es una técnica avanzada que inspecciona grandes distancias desde un solo punto, detectando daños de forma temprana. Integrado con monitoreo continuo, permite prevenir incidentes, optimizar el mantenimiento y mejorar la seguridad de la infraestructura, asegurando así el funcionamiento fiable y prolongado de las tuberías.

Por qué inspeccionar tuberías de HDPE

Aunque el polietileno de alta densidad es un material confiable, no es inmune a fallas. Su uso masivo en redes de gas natural y agua potable significa que un daño no detectado puede derivar en fugas peligrosas, cortes prolongados del servicio y perjuicios medioambientales.

Las principales causas de fallas incluyen:

• Daños mecánicos durante la instalación o labores de mantenimiento.
• Fatiga estructural por presiones internas repetitivas.
• Degradación química por exposición a radiación UV, hidrocarburos u otros agentes.
• Movimientos del terreno y asentamientos diferenciales que generan tensiones.

Las inspecciones periódicas no solo ayudan a detectar estos problemas antes de que se agraven, sino que también permiten planificar el mantenimiento de forma preventiva, reduciendo costes y extendiendo la vida útil de las tuberías.

Principios del ultrasonido de ondas guiadas

El Guided Wave Ultrasonic Testing (GWUT) es un método de inspección no destructiva que emplea transductores para generar ondas mecánicas de baja frecuencia. Estas ondas se desplazan a lo largo de la tubería, confinadas por su geometría, lo que permite evaluar grandes tramos desde un único punto.

A diferencia del ultrasonido convencional, que solo examina áreas reducidas, el GWUT analiza longitudes de tubería que pueden superar decenas de metros, detectando alteraciones en la señal provocadas por grietas, corrosión o deformaciones.

En tuberías de polietileno, la atenuación es más alta que en tuberías metálicas, por lo que seleccionar el modo y la frecuencia adecuados es fundamental. Investigaciones recientes señalan que los modos L(0,3) a 35 kHz y L(0,4) a 50 kHz ofrecen el mejor equilibrio entre alcance y sensibilidad.

Investigación y validación técnica

Estudios como el de Shah, El-Hawwat y Wang (2023) han demostrado, mediante pruebas de laboratorio y modelado numérico con elementos finitos, que el GWUT es eficaz para detectar grietas en tuberías de polietileno fuera de las uniones soldadas.

Los resultados clave incluyen:

• Detección fiable de grietas cuya longitud es igual o superior a la longitud de onda utilizada.
• Mayor sensibilidad con el método pitch & catch frente al modo eco.
• Limitaciones de alcance debido a la alta atenuación del HDPE.

Por su parte, investigaciones como la de Lowe et al. destacan la importancia de optimizar el diseño de los arreglos de transductores y ajustar la frecuencia central para aumentar la capacidad de detección en materiales plásticos.

Resultados de laboratorio en tuberías de HDPE

En entornos controlados se fabricaron grietas de diferentes dimensiones y orientaciones para evaluar la respuesta del GWUT en tuberías de polietileno. Los hallazgos más relevantes son:

• Grietas cuya longitud se asemeja o supera la longitud de onda se detectan con mayor facilidad.
• El modo L(0,4) a 50 kHz presenta más sensibilidad a defectos pequeños, pero con mayor pérdida de señal en distancias largas.
• El modo L(0,3) a 35 kHz logra mejor estabilidad de señal y mayor alcance.
• La orientación es determinante: las grietas perpendiculares a la propagación generan mayor atenuación, mientras que las axiales requieren modos torsionales para su detección.

Influencia de la geometría y orientación de grietas

La interacción entre la onda y la grieta depende de su forma, tamaño y disposición:

• Profundidad: mayor profundidad equivale a mayor reducción de la amplitud.
• Longitud: las grietas largas generan señales más fáciles de identificar.
• Orientación: las longitudinales pueden pasar inadvertidas con modos longitudinales, por lo que es clave combinar modos para maximizar la cobertura.

Estos factores resaltan la necesidad de adaptar los parámetros de inspección a cada caso específico.

Modelado numérico y proyecciones

El modelado con ABAQUS permitió reproducir las condiciones reales de propagación de ondas en el HDPE y validar los datos experimentales. Además, facilitó:

• La simulación de escenarios imposibles de generar físicamente.
• El análisis del comportamiento de diferentes combinaciones de modos y frecuencias.
• La optimización de estrategias de inspección basadas en predicciones confiables.

Este enfoque reduce tiempos y costes de investigación, al tiempo que mejora la precisión de los programas de mantenimiento.

Ventajas frente a otras técnicas

El ultrasonido de ondas guiadas presenta beneficios significativos respecto a otros métodos de inspección como la visual, radiografía o termografía:

1. Cobertura a larga distancia sin necesidad de múltiples accesos.
2. No destructiva, preservando la integridad de la tubería.
3. Versatilidad para tuberías enterradas, aéreas o de difícil acceso.
4. Detección temprana que evita fallas críticas.
5. Integración con monitoreo continuo para seguimiento en tiempo real.
6. Eficiencia económica al reducir excavaciones y paradas.

Retos en la inspección de tuberías de HDPE

A pesar de sus ventajas, el GWUT enfrenta ciertos desafíos en el HDPE:

• Acoplamiento limitado debido a la baja rigidez del material.
• Alta atenuación, que reduce el alcance efectivo.
• Anisotropía en propiedades mecánicas según la dirección del material.
• Necesidad de personal especializado para la interpretación precisa de datos.

Monitoreo continuo y mantenimiento predictivo

La instalación de sensores permanentes de GWUT en puntos estratégicos de la red permite:

• Detección temprana de cambios estructurales.
• Reducción de inspecciones presenciales innecesarias.
• Planificación de intervenciones con base en datos reales.
• Mejora de la disponibilidad y confiabilidad del sistema.

Este modelo de mantenimiento predictivo transforma la gestión de infraestructuras, reduciendo costes y aumentando la seguridad operativa. En la Figura se observan a 2 ingenieros analistas de datos, tomando informacion y procesandola, como parte del plan de inspeccion de las tuberias HDPE.

Normativas y estándares aplicables

Es fundamental que las inspecciones de ultrasonido por ondas guiadas (GWUT) en tuberías de HDPE cumplan con las normativas vigentes:

• ISO 18211:2016: Ensayos no destructivos mediante GWUT en tuberías superficiales y de planta.
• ISO 4773:2023: Método AWG con phased‑array para estructuras inaccesibles, incluye tuberías enterradas; exige personal calificado según ISO 9712.
• BS 9690‑1 y BS 9690‑2 (2011): Guía general y requisitos básicos para GWUT en tuberías (British Standards).
• ASTM E2775‑16 y E2929‑13: Prácticas estándar para GWUT en tuberías elevadas de acero; aunque no específicas de HDPE, sirven como referencia técnica.

Además, hay normativas específicas para tuberías de HDPE y sus uniones, que complementan el contexto técnico:

• ASTM E3044:2022: Ultrasonido para juntas de fusión a tope en tuberías de polietileno.
• ASTM E3170:2018: Ensayo por phased‑array en uniones electrofusionadas.
• ISO TS 16943 y ISO TS 22499: Inspección de uniones eléctricas y a tope en tuberías de polietileno mediante phased‑array.
• ASME BPV III, Apéndice XXVI: Requisitos para instalaciones enterradas de HDPE clase 3, incluyendo exámenes ultrasónicos.

Finalmente, para tuberías de HDPE en Europa, destacan normas como:

• EN 12201: Estándar europeo para propiedades físicas, químicas, ambientales y calidad de tuberías de HDPE.
• ASTM D3035, D3350, F1041, D1598, D1599, F2164: Especificaciones para material, pruebas de presión, fugas, y reciclabilidad.

Estas normas garantizan que los procedimientos de inspección sean técnicamente válidos y cumplan con criterios de seguridad, calidad y certificación industrial.

Perspectivas futuras

El desarrollo del ultrasonido de ondas guiadas en tuberías de HDPE continúa avanzando en entornos de investigación y pruebas controladas. Las tendencias que se perfilan para su implementación a gran escala incluyen:

• Integración de inteligencia artificial para el análisis automático de señales y la identificación temprana de patrones de deterioro.
• Creación de sensores más ligeros, flexibles y adaptables a la superficie del HDPE, que mejoren el acoplamiento y reduzcan la atenuación.
• Optimización de combinaciones de modos y frecuencias para ampliar el rango de defectos detectables, incluyendo grietas longitudinales y de difícil acceso.
• Desarrollo de protocolos estandarizados para su validación en campo, que permitan su adopción por normativas y certificaciones industriales.

Conclusiones

El ultrasonido de ondas guiadas es una herramienta altamente eficaz para la inspección de tuberías de HDPE y tuberías de polietileno, ofreciendo una detección precisa de daños y procesos de corrosión antes de que se vuelvan críticos. Su capacidad para integrarse en programas de monitoreo continuo lo posiciona como un elemento clave en la gestión moderna de redes de transporte de fluidos.

Al combinar pruebas de laboratorio, modelado numérico y personal cualificado, el GWUT puede superar sus retos actuales y convertirse en el estándar de referencia para la inspección de tuberías no metálicas.

Proteja hoy sus tuberías de HDPE.
La detección temprana es la clave para evitar fallas costosas.

Referencias

1. JAY SHAH, SAID EL-HAWWAT, HAO WANG. Guided Wave Ultrasonic Testing for Crack Detection in Polyethylene Pipes: Laboratory Experiments and Numerical Modeling; Consultado en fecha 28 de Octubre de 2023; https://www.mdpi.com/1424-8220/23/11/5131
2. PREMESH SHEHAN LOWE, HABIBA LAIS, VEENA PARUCHURI, TAT-HEAN GAN. Application of Ultrasonic Guided Waves for Inspection of High Density Polyethylene Pipe Systems; Consultado en fecha 27 de Octubre de 2023; https://ouci.dntb.gov.ua/en/works/9GQQJdx4/

Preguntas frecuentes (FAQs)

1. ¿Por qué es importante inspeccionar las tuberías de polietileno?
R. Porque, aunque son resistentes y duraderas, pueden sufrir daños invisibles que comprometen su funcionamiento.

2. ¿Qué ventajas ofrece el ultrasonido de ondas guiadas?
R. Permite inspeccionar largas distancias desde un único punto, es no destructivo y puede integrarse en monitoreo continuo.

3. ¿Se pueden detectar todos los tipos de grietas?
R. Es más eficaz con grietas perpendiculares a la onda, pero combinando modos se amplía la cobertura.

4. ¿Cómo influye la frecuencia en la detección?
R. Frecuencias altas (50 kHz) detectan defectos pequeños pero con menor alcance; bajas (35 kHz) cubren más distancia con menor sensibilidad.

5. ¿Es posible aplicar esta técnica en tuberías enterradas?
R. Sí, el GWUT es especialmente útil en zonas de difícil acceso, incluyendo tuberías enterradas, suspendidas o en cruces subterráneos.