ANÁLISIS DE FALLAS
FALLAS
Fundamentos y aplicaciones
en componentes mecánicos
ANÁLISIS DE FALLAS
Fundamentos y aplicaciones
en componentes mecánicos
José Luis Otegui
José Luis, Otegui
Análisis de fallas: fundamentos y aplicaciones en componentes
c omponentes mecánicos. - 1a ed. Mar del Plata: EUDEM, 2013.
420 p.; 25x17 cm.
ISBN 978-987-1921-17-1
1. Ingeniería Mecánica. I. Título
CDD 621.3
Queda hecho el depósito que marca la Ley 11.723 de Propiedad Intelectual. Prohibida
su reproducción total o parcial por cualquier medio o método, sin autorización previa
de los autores.
Este libro fue evaluado
ev aluado por el Dr. Luis De Vedia
Primera edición: Octubre de 2013
ISBN 978-987-1921-17-1
© 2013 José Luis Otegui
© 2013 EUDEM
Editorial de la Universidad Nacional de Mar del Plata
Formosa 3485 (B7602FWQ) / Mar del Plata / Argentina
Arte y diagramación: Luciano Alem
Revisión: Carolina S. Miranda
Fotografía de tapa: Gentileza de Aníbal Márquez
Impreso en: El Faro, Dorrego 1401, Mar del Plata.
INDICE
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
19
1.1 Perspectiva histórica
1.2 La tecnología actual está condicionada por nuestra historia
1.3 El peligro de los mitos y la opinión pública
19
21
23
1.4
1.5
1.6
1.7
25
26
29
31
33
36
39
Defectos
en componentes,
dúctiles y frágiles
La
revolución
industrial y lasmateriales
fallas en componentes
a presión
El advenimiento de la mecánica de fractura
Alcance del análisis de falla
fall a
EJEMPLO 1.A Análisis pericial accidentológico
1.8 Comentarios finales
BIBLIOGRAFÍA
CAPÍTULO 2: HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS
PRELIMINAR DE UNA FALLA MECÁNICA
41
2.1 Metodología para la Investigación en campo luego de accidentes
2.2 Recopilación de datos e Historial
2.3 Técnicas de Inspección Visual y Fotografía de campo
41
43
44
2.4 Cómo
detectar
sitio de iniciación
de unadefalla
EJEMPLO
2.AelIdentificación
de origen
fallamecánica
EJEMPLO 2.B Detección de daño previo en servicio
EJEMPLO 2.C Falla de estructura abulonada
2.5 Extracción y Conservación de muestras
2.6 Inspección mediante técnicas de Ensayos No Destructivos
2.7 Organización de los equipos de trabajo
BIBLIOGRAFÍA
48
53
57
62
66
68
75
79
CAPÍTULO 3: HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS
MICROSCÓPICO DE UNA FALLA MECÁNICA
3.1 Caracterizaciones microestructurales y metalográficas de piezas
metálicas
3.2
y preparación
de muestras
3.3 Corte
La naturaleza
poli-cristalina
de los metales
3.4 Examen microscópico de la estructura de los metales
EJEMPLO 3.A Análisis metalográfico de tubería soldada
3.5 Examen microscópico de superficies de fractura
EJEMPLO 3.B Análisis fractográfico de tubo de pared gruesa
3.6 Identificación de superficies de crecimiento subcrítico
EJEMPLO 3.C Falla en conexión flexible
3.7 Herramientas de alta magnificación, microscopía electrónica
EJEMPLO 3.D Análisis en microscopio electrónico de barrido
3.8 Análisis fractográfico de extra - alta definición, nano
dispositivos
BIBLIOGRAFÍA
81
81
82
87
89
95
97
100
102
104
107
109
113
118
5
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
CAPÍTULO 4: MECANISMOS DE DAÑO Y FALLA
119
Introducción
Mecanismos de Falla
Mecanismos de Daño en servicio
Corrosión
EJEMPLO 4.A Corrosión en tubos de intercambiador
119
122
125
125
134
Propagación
de Fuga
fisuras,
EJEMPLO 4.B
porFatiga
fatiga en un gasoducto
Daño por Hidrógeno
Daño por exposición prolongada a alta temperatura
EJEMPLO 4.C Incendio de horno de hidrocarburo
4.8 Fisuración Asistida por el Medio Corrosivo
EJEMPLO 4.D Fisuras en placa
placa tubo de intercambiador
4.9 Discontinuidades o defectos introducidos durante
fabricación del equipo
BIBLIOGRAFÍA
139
140
144
147
149
153
157
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
la
CAPÍTULO 5: CARACTERIZACIÓN Y ENSAYO DE MATERIALES
167
5.1 Ensayos químicos y mecánicos
167
EJEMPLO 5.A
de inoxidable
a temperatura
5.2 Temperatura
de Tubo
transición
dúctil frágil
5.3 Determinación experimental de la tenacidad a la fractura
5.4 Análisis por Espectrometría y ensayos de dureza
5.5 Medición experimental de tensiones residuales
5.6 Determinación experimental de la resistencia al daño en servicio
5.7 Ensayos de vida a la fatiga
5.8 Técnicas de Monitoreo de la corrosión
5.9 Estimación de tensión umbral y propagación por SCC
5.10 Resistencia al Creep y monitoreo del daño en servicio
BIBLIOGRAFÍA
172
176
178
182
185
188
188
191
194
196
200
CAPÍTULO 6: HERRAMIENTAS DE MODELADO MECÁNICO
APLICADAS AL ANÁLISIS DE FALLAS
FALLA S
6
159
164
201
6.1 Introducción
6.2 Herramientas de Modelado Numérico
EJEMPLO 6.A Modelado de la interacción suelo-ducto
6.3 Criterios para modelado de componentes a presión
EJEMPLO 6.B Modelado tensional en recipiente amortiguador
6.4 Análisis tensional de cuerpos fisurados
6.5 Cálculo de carga necesaria para Fractura Frágil
6.6 Cálculo de las condiciones para Fractura Dúctil
EJEMPLO 6.C Cálculo de tensión aplicada en un defecto
preexistente
6.7 Modelado mecánico de fisuras longitudinales en tuberías
6.8 Modelado mecánico de la propagación de Fisuras por Fatiga
EJEMPLO 6.D Modelado de propagación por Fatiga en
201
205
210
213
216
219
221
225
6. 9 compresor
Determinación de tenacidad a la fractura y muestras ppost-falla
ost-falla
238
240
229
232
235
Indice
BIBLIOGRAFÍA
CAPÍTULO 7: ANÁLISIS DE CAUSAS RAÍZ
7.1 Introducción
7.2 La explosión del trasbordador espacial Challenger
7.3 Metodología general del Análisis de Causa raíz
7.A ¿Un
fusible quemado es una falla?
7.4 EJEMPLO
El árbol de causa
- efecto
7.5 Recopilación de datos: entrevistas y declaraciones
EJEMPLO 7.B Árbol de causa efecto en una reparación “hot
tap”
7.6 Recopilación de datos: documentos y registros
7.7 Falsación, iteración, coincidencia y causalidad
EJEMPLO 7.C Análisis de causas raíz de falla en cruce dirigido
7.8 Niveles de un análisis de falla
7.9 Formatos alternativos de investigación de fallas
EJEMPLO 7.D RCA de incendio en horno en planta
petroquímica
BIBLIOGRAFÍA
CAPÍTULO
8: MECANISMOS DE DAÑO Y FALLA EN
MAQUINARIAS
242
245
245
246
250
252
253
255
257
263
264
268
274
277
280
283
285
8.1 Definición de falla en maquinarias
8.2 Modos de falla característicos en ejes
EJEMPLO 8.A Falla en eje de mando de bomba hidráulica
8.3 Falla en rodamientos
EJEMPLO 8.B Falla de rodamiento en generador de corriente
alterna
8.4 Falla en cojinetes de deslizamiento
EJEMPLO 8.C Falla de cojinete de deslizamiento de motor a
gas de gran potencia
8.5 Falla en elementos de transmisión: engranajes y acoples
EJEMPLO 8.D Falla de un acople flexible
285
286
289
291
8.6 EJEMPLO
Elementos de
pernos,
bulones,
roscados
8.Eunión:
Falla en
un bulón
tipo elementos
Allen de sujeción
de
pistón de compresor
8.7 Fallas características en turbo máquinas
EJEMPLO 8.F Falla detectada en el rotor de una turbina de
vapor
306
311
313
CAPÍTULO 9: MITIGACIÓN Y EXTENSIÓN DE VIDA FRENTE A
FALLAS DE SERVICIOS
9.1
9.2
9.3
9.4
Introducción y perspectiva histórica
Análisis de modos y efectos de falla (FMEA)
Procedimientos de evaluación de aptitud para el servicio
Evaluación de Pérdidas de Espesor general y local
9.5 Evaluación de discontinuidades geométricas y fisuras
292
294
296
298
303
316
321
321
323
326
328
331
7
Análisis de fallas – Fundamentos y aplicaciones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
9.6 El criterio Leak Before Break para componentes a presión
9.7 Monitoreo del daño y de los esfuerzos durante el servicio
9.8 Ensayos de resistencia mediante indentación instrumentada
9.9 Monitoreo de máquinas
9.10 Estimación de vida remanente frente a mecanismos de daño
EJEMPLO 9.A Predicción de vida a la fatiga en oleoducto
BIBLIOGRAFÍA
CAPÍTULO 10: CONSECUENCIAS DE UN ANÁLISIS DE FALLA
337
338
344
347
353
355
358
361
10.1 Redacción de informes luego de un análisis de falla
10.2 Análisis de fallas en casos potencialmente litigiosos
litigi osos
10.3 Aprender o no aprender de los errores, he aquí la cuestión
10.4 Sobre el error humano
10.5 Errores humanos a distintos niveles, el caso Chernóbil
10.6 Imposiciones empresariales y políticas sobre la toma de
decisiones
EJEMPLO 10.A Incidente en una planta de bombeo de agua
10.7 Las reglas se relajan: el caso del pozo Macondo
10.8 Subestimación de consecuencias de eventos naturales, el caso
Fukushima
361
364
367
371
374
10.9
de plantasdel
y equipos
antiguos
10.10Gerenciamiento
Causas y consecuencias
accidente
más famoso
BIBLIOGRAFÍA
391
395
398
379
380
384
388
BIBLIOFRAFÍA COMPLETA
401
FUENTES DE LAS FIGURAS E IMAGENES
409
8
PREFACIO
Cuando uno lee un libro, y no lo puede dejar de leer, quiere decir que es ameno
y que, de alguna manera, genera las expectativas del lector para seguir
compulsivamente
compulsiv
amente leyendo hasta el final.
Lo mismo ocurre con una obra de teatro o con una película. Si el espectador
comienza aen
sentirse
incómodo
butaca,
es contrario,
señal de que
la obra/película
va
decayendo
el interés
de quienenlasu
mira.
Por el
si nadie
se mueve, aún
en butacas incómodas, el espectador seguirá en su puesto hasta el final.
Esto mismo sucede con el libro de José Luis. Para aquellos que amamos y
seguiremos amando la ingeniería y la resolución de sus problemas, nos
encontramos, en esta obra, con la síntesis justa de lo que siempre hemos
buscado en los libros de la especialidad y que, con mayor precisión, se
mencionan en el prólogo: por qué en algún componente o pieza se presenta
una falla que puede comprometer su integridad; a qué se debió que esto
ocurriera; y finalmente, qué debemos hacer para que ello no vuelva a ocurrir.
Este libro ha sido escrito por un docente, que a su vez es un exitoso
investigador
de esta
otras áreas
de vuelca
la ingeniería
y además en
actúa
permanentemente
cono y consultor,
donde
toda su experiencia
la
predicción del daño, aptitud para el servicio y confiabilidad en los problemas
concretos de la vida profesional.
Por lo tanto, esta obra que hoy se presenta, reúne todas las expectativas que
buscan satisfacer la alta demanda de recursos humanos especializados en la
selección, aplicación, operación óptima y servicio de piezas y componentes
industriales. Permitirá, además, forjar profesionales altamente capacitados y
aptos para trabajar
trabajar en proyectos
proyectos de los diferentes sectores
sectores económicos
económicos,, tanto
del país como la región
Finalmente, descarto el éxito del aporte que hoy nos regala el colega y amigo de
tantos años.
Ing. Raúl H.Conde
Vicerrector de la UNMdP
Mar del Plata, otoño de 2012
2012
9
PRÓLOGO
El célebre físico inglés del siglo 17 Isaac Newton escribió en una carta al
científico Robert Hooke, "si he visto más es porque estoy parado en los
hombros de gigantes." Todos estamos parados sobre los hombros de gigantes
que nos precedieron en nuestras continuas misiones para lo que sea que ha de
lograrse más
horizonte.
El Santo
Grial de
la ingeniería
el diseño
perfecto,
algo allá
que del
siempre
funcione
exactamente
como
se previó es
y que
nunca
requiera de una mejoría. Por supuesto, si pudiéramos lograrlo, el diseño
perfecto nunca fallaría.
En su decimoséptimo libro, Henry Petroski explora algo que ya había
explorado antes: la inevitabilidad de la falla y el papel que desempeña en el
avance de la tecnología. Su última obra es “To Forgive Design: Understanding
Failure”, Harvard University Press. En su prefacio, el autor denomina a su
última obra una secuela de su primer libro “To Engineer Is Human: The Role
of Failure in Successful Design”, publicado en 1985 y aún en impresión. El
siguiente fragmento pertenece al capítulo dos, "Las cosas suceden" de “Para
perdonar el diseño”:
No debería sorprendernos que las fallas existan. Después de todo, las estructuras, las
máquinas y los sistemas del mundo moderno pueden ser excesivamente complicados en su
diseño y funcionamiento. Y las personas que conciben, diseñan, construyen e interactúan con
dichas complejidades sin duda pueden fallar. A veces emplean una lógica defectuosa,
transponen inadvertidamente dígitos en un cálculo numérico, ajustan un perno de más o un
tornillo de menos, leen erróneamente un dial o empujan apresuradamente cuando deben tirar.
También pueden fallar en concentrarse, anticipar y comunicarse en momentos críticos. En
otras ocasiones, los accidentes pueden deberse a que las personas dejan de ser honestas, éticas y
profesionales.
Por alguna razón, los accidentes ocurren e invariablemente provienen de o conducen a una
falla de algo o alguien. En realidad, lo que debería sorprendernos no es que las fallas ocurran,
sino que no ocurran más a menudo. Cuando ocurren en nuestro campo, tendemos a
defendernos contra acusaciones; intentamos derivar la culpa. Las fallas con demasiada
frecuencia se atribuyen a las cosas que diseñamos, hacemos, vendemos y operamos, y no a las
personas que las diseñan, hacen, venden
venden y operan.
En este libro, partiremos de una base que no es compartida por la mayoría de
los autores: todas las causas relacionadas con una falla son exclusivamente
humanas. Desde el punto de vista filosófico, este concepto es claro. Aún
aquellas causas claramente físicas, como el caso de un material defectuoso,
pueden ser consideradas como resultado de un error humano, aunque este error
fue cometido en otro momento (a veces décadas antes) y en otra empresa o
país. Por lo tanto, está fuera de nuestro análisis, y solo podemos analizar la
causa física, el defecto en el material, y olvidamos que es el resultado de una
falla humana previa.
11
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La frase “error humano” comúnmen
comúnmente
te utilizada en el ambiente periodístico
periodístico es
tautológica: sólo los humanos tenemos razonamiento y libertad para elegir entre
diversas alternativas, por lo cual somos los únicos “capacitados” para cometer
un error. Los desastres naturales (terremotos, inundaciones, etc.), llamados
“actos de Dios” en la literatura anglosajona (Acts of God), no pueden ser
considerados como una falla humana. Pero las consecuencias de estos eventos
naturales no
sobre
el componente
que haya
fallado sí son
errores
humanos.
Alguien
estimó
adecuadamente
la probabilidad
de tal
evento,
o su
intensidad, y no realizó los ajustes necesarios al diseño y la construcción del
componente o estructura.
Pero lo anterior no significa que tenga que culparse a una persona por haber
sido causa de una falla. Buscar culpables conduce en dirección contraria a
encontrar soluciones. Esto se verá en particular cuando tratemos las técnicas de
Análisis de Causas Raíz. Un axioma para los abogados, particularmente para
aquellos involucrados en juicios orales cuando interrogan a testigos, sean estos
amistosos u hostiles para el interés de su causa, es: nunca preguntar algo si no
se está seguro de cuál será la respuesta. Esta actitud, llevada a otros campos de
la actividad humana como las empresas, asegura que la participación de una
persona generará muy poco valor agregado al conocimiento comunitario.
Se atribuyen a Albert Einstein las frases: “El hombre encuentra a Dios detrás
de cada puerta que la ciencia logra abrir. El azar no existe; Dios no juega a los
dados. Lo importante es no dejar de hacerse preguntas”. Probablemente las
haya dicho en distintos contextos. Un analista de fallas deberá asegurar que
cada miembro del equipo involucrado realice al menos todas las preguntas
necesarias para llegar a las respuestas verdaderas, que son desconocidas a priori,
y sin importar si estas podrían no considerarse adecuadas.
Este libro aborda las fallas de elementos estructurales, esto es, aquellos
componentes cuya misión básica es soportar cargas mecánicas. De esto se
deduce que las causas de falla estarán relacionadas con la discapacidad de los
componentes y materiales de soportar las cargas de operación, en algún
momento de su vida en servicio. No hablaremos aquí de fallas en componentes
funcionales, donde la utilidad fundamental del componente está referida a una
capacidad en particular. Este es el caso de fallas en componentes electrónicos,
ópticos, sistemas de medición, etc.
Las tecnologías de construcción y uso de componentes estructurales fueron
refinadas por prueba y error durante miles de años hasta la primera edad de los
metales. El uso de los metales también avanzó por prueba y error. La
L a ciencia de
los metales (y materiales estructurales en general) es realmente tan reciente
como el siglo XX. Por supuesto, el uso y la ingeniería de estos materiales son
mucho más antiguos. A medida que los sistemas y componentes se vuelven más
complejos, también lo hacen los mecanismos por los que fallan. Y debido a
esto, entender las causas de las fallas nunca ha sido de mayor relevancia. Las
12
Prólogo
metodologías modernas para el análisis de causas reales de fallas responden a la
necesidad de interpretar:
Por qué ocurren las fallas
Cómo ocurren las fallas
Cómo evitar la recurrencia
Vivimos de la forma en que lo hacemos, y no de otra, debido a las fortalezas,
debilidades, costos y dificultades de trabajo en los materiales y componentes
que utilizamos. Este libro no es solamente para ingenieros o científicos, aunque
la mayoría de los técnicos en estas disciplinas se beneficiarían con su lectura. Su
verdadero beneficio es para los “laicos” curiosos que quieran saber más,
aquellos que puedan enfrentar circunstancialmente las consecuencias de fallas
en sistemas o componentes mecánicos. Este libro debería ser también útil para
los estudiantes, futuros científicos o ingenieros.
Uno de los objetivos de la actividad profesional de los autores ha sido la
consolidación de herramientas experimentales y numéricas para abordar
investigaciones científicas sobre los principales mecanismos de propagación de
daño mecánico en componentes industriales. Los autores son docentes del área
de
Ingeniería
MecánicaEldeDr.
la Otegui
Universidad
Nacional
de Mar delsePlata
(UNMdP,
República
Argentina).
y algunos
colaboradores
especializan
en
investigación, con actividad en la División Mecánica de Materiales de INTEMA
(Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales). Este
Instituto del CONICET (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Técnicas de la República Argentina) tiene sede en la Facultad de Ingeniería
UNMdP. Los otros autores provienen de la empresa GIE S.A., prestigiosa
Consultora de Ingeniería con casi 20 años de trayectoria en el aseguramiento de
la integridad y extensión de vida de equipos sometidos a presión en las
industrias energéticas, de transporte y procesamiento de hidrocarburos.
El autor y sus colaboradores
colaboradores han sido pioneros
pioneros en la publicación de prácticas
prácticas
recomendadas en el Mercosur. El principal
principal antecedente ha sido la publicación
publicación
en 1996 del Documento Técnico N° 1 del Proyecto Multinacional PROMAI:
Aspectos Generales de la Evaluación de Integridad y Extensión de Vida de
Equipamiento Industrial y Estructuras. También han colaborado con la
formulación y dictado de materias optativas relacionadas con Integridad de
Equipos Industriales, dirigidas a alumnos de Ing. Mecánica, Química y en
Materiales.
La experiencia acumulada en la evaluación de cañerías, recipientes, máquinas
rotantes y otros componentes de plantas industriales, le permite al autor
formalizar este texto, apto para ser usado como libro de consulta profesional
para los interesados en responder de la mejor manera ante fallas y otros
incidentes de origen mecánico. Este texto intenta ser una fuente auto contenida
para aquellos que, con diferentes grados técnicos, se enfrenten al desafío de
13
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
aprender de la propia
propia experiencia,
experiencia, muchas veces amarga
amarga y con grandes ccostos,
ostos,
de fallas en equipos, con la intención de reducir SU probabilidad de recurrencia.
Los conceptos y desarrollos presentados en este texto provienen del esfuerzo
realizado durante la carrera profesional del autor, pero sobre todo del beneficio
obtenido a partir de un trabajo multidisciplinario que se ha logrado
implementar entre
la Universidad
Nacional
de Mar del Plata, el yInstituto
de
Investigaciones
en Ciencia
de Materiales
(INTEMA-CONICET)
la empresa
GIE Integridad de Instalaciones. Los Profesionales de estas Instituciones y de
las distintas áreas tecnológicas de empresas de las áreas del petróleo, gas y
energía se han complementado para obtener resultados confiables y solventar
así los problemas de las industrias de la región.
14
ACERCA DEL AUTOR
AUTOR
El Dr. José Luis Otegui egresó en 1980 como Ing. Mecánico de la UNMdP,
Argentina. En 1988 obtuvo el grado académico de Doctor de Filosofía en
Ingeniería Mecánica de la Universidad de Waterloo, Canadá. Desde entonces se
ha dedicado al desarrollo de tecnologías en el área del modelado mecánico de
materiales
metálicosindustriales.
de uso estructural,
a su aplicaciónartículos
en la predicción
del
daño en equipos
Publica yhabitualmente
en revistas
científicas y conferencias relacionados con ingeniería forense, recipientes de
presión, fatiga y fractura. Actualmente es Profesor Titular en la Facultad de
Ingeniería de la UNMdP, e Investigador Principal del CONICET (Consejo
Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas de la República Argentina).
15
RECONOCIMIENTOS
Este libro está dedicado a mis grandes amores:
Mi esposa Alejandra
Mis hijas, Milagros y Victoria
Como nos suele ocurrir, desearía haber pasado mayor tiempo con ellas.
Desearía haber conocido antes a Alejandra. ¡Mis hijas maduraron tan pronto!
Los ritmos de la vida son así, no me quejo. Por el contrario, me encuentro en
una situación difícil para los agnósticos: querría dar gracias, pero no estoy
seguro de a quién. En todo caso, como dice mi madre Chela, agradezco a quien
esté en este momento a cargo de los negocios de Dios en este mundo,
reconociendo que Él probablemente no existe. Y agradezco a Chela por
haberme ayudado
ayudado a descubrir
descubrir ése y otros secretos.
Este libro es el resultado de sucesivas actividades de capacitación en empresas,
y en particular de las conferencias dictadas en los últimos 10 años como parte
de la oferta de la consultora FORUM Executive Information, Capacitación
Corporativa www.forumconferencias.com.ar. El autor agradece al Lic. Pablo
Cernich, por su entusiasmo y profesionalismo en la búsqueda de la mejora
técnica y pedagógica de estas conferencias.
Deseo agradecer a mis
mis amigos y mentores.
mentores. Entre ellos, cabe
cabe destacar a los Ing.
Luis A. de Vedia (UNSAM), Raúl Conde y Juan Belmonte (UNMdP), Patricia
Frontini (Conicet) y Carlos Manfredi (GIE S.A.). Con grandes diferencias de
temperamento, me han mostrado el camino de a investigación tecnológica
aplicada, con un sentido social. También a Carolina Miranda, por sus gestiones
en la corrección y edición del libro, su talento y bonhomía.
Es destacable la participación en el contenido de este Libro de colegas y
amigos, que colaboraron con su esfuerzo y con en el aporte de material original
basado en sus propias investigaciones:
investigaciones:
•
•
•
•
•
•
•
Ing. Aníbal Márquez amarques@fi.mdp.edu.ar, Profesor de la UNMdP
e Investigador de INTEMA (UNMdP-Conicet). Consultor en GIE
S.A., líder del Área de Falla de Máquinas Rotantes, es autor del
Capítulo 8 de este libro.
Ing. Pablo G. Fazzini fazzini@giemdp.com.ar
Ing. Ariel Ibarra Pino aaibarra@fi.mdp.edu.ar
aaibarra@fi.mdp.edu.ar
Ing. Janine Booman booman@giemdp.com.ar
Ing. Hernán Kunert Kunert@giemdp.com.ar
Ing. Paola Venturino venturino@giemdp.com.ar
venturino@giemdp.com.ar
Ing. Jeremías De Bona debona@giemdp.com.ar
debona@giemdp.com.ar
17
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Hemos hecho esfuerzos razonables para publicar en este libro información y
datos fiables, pero el autor y editor no pueden asumir la responsabilidad de la
validez de todos los materiales o las consecuencias de su uso. Al final de cada
capítulo se hace mención de todo el material reproducido en esta publicación.
Si no se ha reconocido algún derecho de autor, se solicita nos lo hagan saber,
para rectificarlo en una futura
f utura reimpresión.
18
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Perspectiva histórica
1.2.
tecnología
actual
estáy la
condicionada
por nuestra historia
1.3. La
El peligro
de los
mitos
opinión pública
1.4. Defectos en componentes, materiales dúctiles y frágiles
f rágiles
1.5. La revolución industrial y las fallas en componentes a presión
1.6. El advenimiento de la mecánica de fractura
1.7. Alcance del análisis
análisis de falla
EJEMPLO 1.A Análisis pericial accidentológico
1.8. Comentarios finales
BIBLIOGRAFÍA
1.1 Perspectiva histórica
La tecnología siempre ha sido siempre un negocio arriesgado, aunque
cuantificar ese riesgo es un fenómeno relativamente nuevo en el mundo de la
ingeniería y la gestión. No importa cuál es la tecnología, nuestras mejores
estimaciones de su éxito tienden a ser demasiado optimistas.
La historia de las construcciones mecánicas se remonta a la ingeniería como una
rama de la actividad militar. Uno de los pueblos más exitosos en este campo fue
el de los romanos. De hecho, los caminos y acueductos que supieron desarrollar
constituyeron uno de los pilares del afianzamiento de su hegemonía en el
“mundo conocido” de la época. Uno de sus desarrollos más notables es el
puente de arco, ver Figura 1.1a. Se basa en transmitir las cargas verticales del
peso del vehículo por compresión entre piedra y piedra (Figura 1.1.b) hasta el
empotramiento en la base de los pilares. Algunos historiadores mencionan
como verdadero que una de las claves del éxito de este diseño se basó en la
práctica, normal entonces como ahora, de la prueba de carga pre-operativa. Una
vez construido el puente y antes de su entrada en operación se realizaba un
ensayo con un peso mayor que el máximo esperado en servicio. La
particularidad radicaba en que durante tal evento el responsable de su diseño y
construcción debía permanecer debajo del mismo... Este sistema aseguraría, por
un lado, esmero en el diseño y construcción, y por otro, evitaría la repetición de
errores por parte de ingenieros incompetentes.
19
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 1.1 (a, b)
Figura 1.2
La necesidad de reducir costos y salvar mayores distancias entre apoyos, y la
disponibilidad de nuevos materiales y formas de construcción dieron origen a
nuevos diseños, ahora basados en miembros cargados a la tracción tanto como
a la compresión, ver por ejemplo la Figura 1.2. Este tipo de estructura de
hierro, que denominamos reticulado, fue junto a la máquina de vapor uno de
los pilares del desarrollo europeo de fines del siglo XVIII (revolución
industrial). Para ese entonces sir Isaac Newton ya había sentado las bases de la
mecánica, introduciendo el cálculo previo como herramienta auxiliar al
“ingenio”, y reduciendo la importancia de la prueba y error en la evolución de
los diseños.
Los diseños superaron circunstancialmente las capacidades de cálculo de cargas
y de predicción de las propiedades de los materiales. En la época de mayor auge
de la revolución industrial no hubo semana sin que algún accidente de trenes
atribuible a defectos de diseño o materiales se reportara por los diarios ingleses.
La búsqueda de estructuras cada vez más eficientes ha ido generando el
20
Introducción
desarrollo tanto de métodos de diseño cada vez más poderosos como de
materiales con mejor resistencia y menor peso y costo.
1.2 La tecnología actual está condicionada por nuestra historia
h istoria
Unafalla,
de las
resonantes,
y a su vez más
útilesChallenger.
en el campoAmén
del análisis
de
ha fallas
sido lamás
pérdida
del transbordador
espacial
de las
deficiencias en el diseño, el análisis de la falla mostró las serias falencias
organizacionales que llevaron a su ocurrencia. El entendimiento de estas
falencias ha llevado entre otras cosas al desarrollo de las técnicas del árbol de
fallas (eventos, defectos previos y barreras superadas) para la determinación de
las Causas Raíz. Volveremos sobre estos temas en el Capítulo 7.
El "taxi espacial” americano Shuttle utilizaba 2 tanques de combustible SRB
(Solid Rocket Booster) que eran fabricados por Thiokol, en Utah. Estos
tanques largos y finos debían ser construidos en sectores. Como veremos en
cierto detalle en el Capítulo 7, la falla de una unión fue la responsable del
desastre del Challenger. Los ingenieros que los proyectaron tal vez habrían
preferido
dimensiones
pero
tuvieron limitaciones
por sus
los
túneles de darles
los ferrocarriles
pordiferentes,
donde serían
transportados,
y éstos tenían
medidas basadas en la trocha del tren.
La trocha de los ferrocarriles de Estados Unidos es de 4 pies y 8,5 pulgadas.
¿Por qué se usó esa medida? Porque era la trocha de los ferrocarriles ingleses y,
como los trenes americanos fueron construidos por los ingleses, esta medida se
usó por una cuestión de compatibilidad. ¿Por qué usaban los ingleses esta
medida? Porque las empresas inglesas que construían los vagones eran las
mismas que construían las carrozas antes de que existiera el tren, y utilizaron los
mismos elementos que usaban para fabricar las carrozas. ¿Por qué las carrozas
tenían esa medida (4 pies y 8,5 pulgadas)? Porque la distancia entre sus ruedas
debía caber en las antiguas callecitas de Europa, que tenían exactamente esa
medida. ¿Y por qué las callecitas tenían esa medida? Porque estas calles fueron
abiertas por el Imperio Romano, durante sus conquistas, y fueron basadas en
los antiguos carros romanos. ¿Y por qué los carros romanos tuvieron esa
medida? Porque se hicieron para acomodar el trasero de 2 caballos.
Se puede concluir entonces que el desastre del Challenger, una de las fallas más
impactantes, pues afecta a una de las máquinas más avanzadas de la ingeniería
mundial en diseño y tecnología, fue en gran medida condicionado por el
tamaño del culo del caballo romano. Éste es sólo un ejemplo, pero puede
extenderse a casi todas nuestras tecnologías.
Por ejemplo, hablemos de un accidente habitual. Se ha hablado de la
“maldición” que hace que una tostada que cae de la mesa impacte el piso “casi
siempre” con la mermelada (o la manteca) hacia abajo, el peor escenario. Es
21
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
notoria la repercusión que ha tenido este tema en internet, por ejemplo. Las
causas más frecuentemente propuestas son dos:
•
La maldición de las cosas inanimadas (Ley de Murphy): esta causa,
también llamada fatalidad, actos divinos, etc., será abordado en otras
partes de este libro (no apuesten mucho
mucho a que esta causa sea real
real en
•
muchos
Es
mayorcasos!)
el peso de la capa de manteca o mermelada que el del pan
subyacente (aquí aparece algún intento serio
s erio de explicación física).
¿Tiene este tema alguna explicación ingenieril? ¡Claro que sí! Pero no es el peso
de la capa sobre el pan, como se podría creer. Se han hecho experimentos, y se
ha verificado que es así, hay mayor probabilidad de que caiga de esa manera.
También se ha analizado el fenómeno con herramientas de ingeniería. Se ha
modelado mecánicamente la trayectoria de una tostada. Aparentemente, debido
a la masa y momento de inercia de la tostada (esto es, su resistencia a moverse
en forma lineal y angular) y sus condiciones de roce con la mesa, se ha visto que
durante el tiempo que tarda en caer de la mesa al piso, la tostada tiende a dar
una rotación del orden de media vuelta. Esto está condicionado por la altura de
la mesa, si fuera más alta o más baja, la tostada tendería a caer de forma
diferente. Pero la altura de la mesa es resultado de la evolución de la especie
humana, de su condición de erguido y de su altura media.
Figura 1.3
El Dr. Matthews mostró que el fenómeno de la tostada que cae tiene
implicaciones más profundas que las que cabría esperar. Si las mesas fueran más
altas -3 metros- el problema desaparecería, porque la tostada tendría tiempo
suficiente
paraconveniencia
completar unadevuelta
entera. ¿Por
quéqué
las los
mesas
son deson
la altura
que son? Para
los humanos.
¿Y por
humanos
de la
22
Introducción
altura que son? Usando un modelo de enlace químico simple de la constitución
humana, el Dr. Matthews muestra que existe un límite de alrededor de 3 metros
para la altura segura de un bípedo cilíndrico como los humanos. Por encima de
esa altura, una simple caída provocaría una energía cinética suficiente para
romper los huesos del cráneo. Este límite establece una altura máxima para las
mesas de 1.5 metros, lo cual no es suficiente para evitar que la tostada caiga del
ladotesis
de la del
mantequilla.
La
Dr. Matthews postula que la tostada cae por el lado de la
mantequilla porque el universo es como es. La fórmula que da la altura máxima
de los humanos contiene tres de las llamadas "constantes fundamentales del
universo". La constante de estructura fina determina la fuerza de los enlaces
químicos en el cráneo; la constante de gravitación universal determina la fuerza
de la gravedad; y el Radio de Bohr indica el tamaño de los átomos que forman
el cuerpo. Los valores de estas tres constantes se fijaron en el diseño de nuestro
universo instantes después del Big Bang.
Pero la altura de la mesa y la caída de la tostada son también consecuencias de
nuestra evolución cultural. En culturas donde no se estila el uso de sillas, sino
comer en cuclillas, las mesas son más bajas y este problema probablemente no
ocurra tan frecuentemente. Si todos hiciéramos lo mismo, el problema de la
mermelada
nooído
existiría,
como
no No
existen
otrosa
problemas depegada
los quealnopiso
hemos
hablar…
todavía.
cabe muchos
duda de que
medida que avancemos en la construcción de nuevas tecnologías, aparecerán
nuevas fallas, de las que deberemos aprender para que no se repitan.
1.3 El peligro de los mitos y la opinión pública
En cualquier proyecto, grande o pequeño, se espera que el trabajo de cada
ingeniero sea coherente y transparente para que otro ingeniero pueda revisar
errores involuntarios siguiendo su hipótesis, lógica y cómputos. Esto constituye
el epítome del juego en equipo, y es el dar y recibir de conceptos y cálculos
entre ingenieros trabajando en un proyecto lo que lo convierte en un éxito. Por
supuesto, ocasionalmente se producen deslices de lógica, se cometen errores
que resultan en un diseño defectuoso, que puede o no conducir a una falla
inmediata. Si el proyecto es un edificio, por ejemplo, una viga o una columna
mal diseñada podrían revelarse durante la construcción. Podría doblarse
notablemente y no verse muy bien ante el ojo entrenado del ingeniero de
campo, y eso enviaría al diseñador nuevamente al tablero de dibujo, donde
puede detectarse el error. Desafortunadamente, no todos los errores se
detectan, ya sea en la oficina de diseño o en el sitio de construcción, y aquellos
que no se detectan pueden provocar fallas.
El éxito prolongado, ya sea en un programa de transbordadores espaciales o en
el diseño y construcción de componentes más sencillos, tiende a conducir al
cambio o a la complacencia y ambos criterios pueden conducir a una falla.
Como dijo un ingeniero, “cada éxito siembra las semillas del fracaso; el éxito te
23
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
da demasiada confianza”. Cuando estamos confiados y seguros, satisfechos de
que hemos hecho todo correctamente porque no ha habido fallas, también
tendemos a ser desatentos y descuidados.
La reacción de las personas en general frente a la ocurrencia de un hecho
negativo, como una falla o accidente, es buscar una explicación (cuanto más
sencilla mejor) que permita racionalizar la pérdida. Existen diferentes teorías
sobre el origenEntre
de la Ley
y sobre losdesarrolló
detalles deuncómo
formulada
inicialmente.
1947deyMurphy
1949 E.E.U.U.
planfue
denominado
MX981 en la Base Aérea Edwards, destinado a probar la resistencia humana a
las fuerzas G durante una desaceleración rápida. En las pruebas iniciales se
utilizaba un cohete sobre rieles con una serie de frenos en el extremo, y un
muñeco humanoide atado a una silla en el trineo. Las pruebas que siguieron
fueron hechas con una persona, el capitán Stapp. Edward Murphy propuso
utilizar medidores electrónicos de esfuerzo sujetos al arnés de Stapp para medir
la fuerza ejercida sobre ellos por la rápida desaceleración. El asistente de
Murphy cableó el arnés y se hizo una primera prueba utilizando un chimpancé.
Los sensores dieron una lectura de cero. Entonces se advirtió que se había
producido un error en la instalación: cada sensor se había cableado al revés. En
ese momento Murphy formuló su famoso enunciado. Según George Nichols,
otro
ingeniero
que estaba
Murphy,
echó launculpa
asistente,
diciendo:
“Si esa presente,
persona tiene
una frustrado,
forma de lecometer
error,a su
lo
hará”. La “Ley de Murphy” fue luego condensada a “Si puede ocurrir, ocurrirá”
por otros miembros del equipo. Otras versiones sostienen que la frase se
originó por parte de Murphy, la frase original fue algo así como «Si hay más de
una forma de hacer un trabajo y una de ellas culminará en desastre, alguien lo
hará de esa manera».
La frase salió a la luz pública cuando a Stapp se le preguntó por qué nadie
resultó herido durante las pruebas con el cohete. Stapp replicó que fue porque
se tomó en consideración la ley de Murphy. Citó la ley y la tradujo como que
era importante considerar todas las posibilidades antes de hacer una prueba. En
1952 se cambió la frase a «Todo lo que pueda salir mal, pasará» en un epígrafe
del libro The Butcher: The Ascent of Yerupaja de John Sack, y en el libro de
1955 de Lloyd Mallan Men, Rockets and Space Rats. La frase actual con la que
se cita esta ley es "Lo que pueda salir mal, saldrá mal", que nunca fue
pronunciada por Edward Murphy. Esta variante, frecuentemente conocida
como ley de Finagle, captura la tendencia general a enfatizar las cosas negativas
que ocurren en la vida.
La explicación de que es el peso de la capa de mermelada sobre el pan lo que
justifica su caída hacia abajo nos lleva a la discusión del MITO. Este es uno de
los temas más conflictivos luego del descubrimiento de una falla o accidente:
para todo hecho desafortunado, siempre hay una explicación simple, clara,
lógica… y falsa. Lo que a su vez nos deriva a la primera ley referida a los
informes preliminares durante una evaluación pericial de una falla: la primera
versión de las causas, en particular si involucra culpas de personas, quedará
indeleble en la conciencia de las personas. Cualquier resultado opuesto, que
24
Introducción
surja del análisis ingenieril, no importa cuánto se difunda, podrá luego
reemplazar la idea inicial.
1.4 Defectos en componentes, materiales dúctiles y frágiles
Un elfactor
aumento
las fallas
fde
allas
siglo XIX fueantes
el aumento
en
uso en
de elmetales
en de
lugar
losinesperadas
materiales en
de elconstrucción
usados
(madera, ladrillo, piedra, etc.) para los cuáles se conocían las pautas de diseño,
historia de servicio y procedimientos de mantenimiento. El uso de metales en la
construcción pasó de representar tan solo el 20% de la producción a comienzos
de la revolución industrial, a ser del orden del 80% a comienzos del siglo XX.
Esto sirvió como motor para el desarrollo general de la ciencia de ingeniería, la
construcción de estructuras grandes, recipientes de presión y calderas con
presiones y temperaturas cada vez mayores. También provocó el desarrollo de
la ciencia de materiales, la aparición de nuevos materiales, mejores tecnologías
de producción de acero, etc. Aparecieron nuevas disciplinas como la
metalografía, nuevos métodos de ensayo de materiales y prueba preoperacional
de recipientes de presión, ensayos no destructivos, etc.
Leonardo Da Vinci hizo en el siglo XVI la primera observación histórica
relacionada con la herramienta actual de mecánica de fractura. Observó que
cuanto más larga es una soga, menor es su resistencia. La llamo la
proporcionalidad inversa de la resistencia de la soga con su longitud. En la
actualidad, es posible “ver” y “medir” esos defectos mediante técnicas de
Ensayos No Destructivos (radiografías, ultrasonido, partículas magnéticas,
tintas penetrantes). La mecánica de fractura nos permite determinar cuánto
afectan esos defectos a la resistencia del componente (soga, caño, recipiente,
elemento estructural, etc.)
Galileo (1638) rechazó el efecto de tamaño que propuso Leonardo y especuló
sobre el efecto del tamaño sobre los huesos de animales grandes, llamando su
voluminosidadd la "debilidad de los gigantes". Medio siglo después, Mariotte
voluminosida
(1686) contribuyó, a base de sus experimentos extensivos, con una idea muy
importante. Observó que "una soga larga y una corta soportan el mismo peso,
pero es más probable que la soga larga tenga algún lugar defectuoso en el que se
romperá más temprano". Interpretó (modelo lingüístico) que a mayor longitud,
mayor probabilidad de que haya defectos en el material de mayor longitud, los
cuales debilitan la soga (ninguna soga es más fuerte que su sección más débil).
Posteriormente, no mucho ocurrió hasta que Griffith (1921) demostró
experimentalmente que la resistencia de fibras de vidrio incrementaba de 42,300
psi a 491,000 psi cuando se reducía el diámetro de 0.0042” a 0.00013”. Observó
"la debilidad de sólidos isótropos...es atribuible a la presencia de
discontinuidades o fallas". El tema no estaba mencionado en el impresionante
texto de resistencia de materiales de Timoshenko de 1953. Las teorías clásicas
25
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
de la elasticidad con un límite de resistencia no presentan ningún efecto de
tamaño.
Durante la segunda revolución industrial en el siglo XIX, Inglaterra y Alemania
tuvieron los papeles dominantes. Una parte importante de los esfuerzos de
investigación en estos países fue prever las fallas. La máxima prioridad estaba
dedicadaStendhal
a evitar,mencionó
limitar y controlar
estasserio
fallasrelacionado
inesperadas.
el fatiga
autor
francés
un problema
conEn
el 1836,
daño de
en su novela "Mémoires d’un Touriste". Las misteriosas averías se
incrementaron entre 1840 y 1860. Fueron accidentes catastróficos, sin
advertencia, porque eran fallas frágiles. Es decir, las fracturas no eran
precedidas por deformación plástica perceptible que sirviera de advertencia. La
novela “No Highway” de Nevil Shute fue una de las primeras ficciones sobre
fatiga en aviones (1948).
La situación fue seria cuando se notó que los componentes de máquinas
también podían fallar a niveles de tensión debajo de la tensión de fractura
crítica. Para ello era necesaria la presencia de fluctuaciones cíclicas de carga. Se
observó (aunque la razón no fue comprendida hasta más tarde) que una
fractura
ciertasrápidamente,
ubicaciones yhasta
empezaría
a propagar,
primero
despacio se ycrearía
luegoen más
romper
el componente
definitivamente, a menudo en un modo frágil. Por lo tanto, se identificó un
nuevo tipo de falla a la que hoy llamamos fatiga. En cuanto la fatiga fue
reconocida como el crecimiento de una fisura a través de un componente, se
desarrollaron nuevos ensayos para evaluar esta forma de degradación en
probetas con diversos tipos de entallas.
1.5 La revolución industrial y las fallas en componentes a presión
La revolución industrial estuvo signada por la generación de vapor. En esos
tiempos los diseñadores y constructores de calderas solo poseían un escaso
conocimiento previo ya que no existían códigos de diseño y construcción que
los guiaran en sus esfuerzos para manufacturar una caldera de vapor que opere
de manera segura. El conocimiento humano acerca de estos sistemas era
inadecuado y ello fue demostrado por las numerosas explosiones de calderas
ocurridas. Algunas de las explosiones más espectaculares se mencionan a
continuación.
El 28 de abril de 1865, en la conclusión de la Guerra Civil Americana, 2021
prisioneros de guerra de la Unión fueron liberados desde los campos de prisión
Confederados en Vicksburg, Mississippi. El transporte que los llevaba a su
hogar, un bote a vapor llamado “Sultana”, navegaba por el río Mississippi
cuando sufrió una explosión 7 millas hacia el Norte de Memphis. El bote se
destruyó totalmente y 1547 pasajeros murieron debido a una falla en las
calderas.
26
Introducción
Figura 1.4 Explosión de caldera en el Vapor "SULTANA,"
28 de Abril de 1865
En 1894 hubo otra espectacular explosión y 27 calderas se incendiaron en una
rápida sucesión en una mina de carbón cerca de Shamokin, Pennsylvania,
destruyendo el lugar y cobrándose la vida de 6 personas.
Las explosiones de calderas siguieron sucediendo. En un período de diez años,
desde 1895 a 1905, se registraron 3612 explosiones de calderas, con un
promedio de una por día. La pérdida de vidas fue enorme, alrededor de 7600
personas fueron víctimas de estas tragedias. En Brockton, Massachusetts, el 20
de marzo de 1905, la R. B. Grover Shoe Company Plant fue destruida dejando
un saldo de 58 muertes y 117 heridos. Un año más tarde en Lynn,
Massachusetts, otra explosión de caldera en una fábrica nocturna hirió a tres
personas y dejó una pérdida de u$s500.000.
Figura 1.5 Grover Shoe Company Plant
27
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 1.6 Explosión de la Caldera de la Grover Shoe Company Plant
El problema pudo definirse claramente: las calderas a vapor, aunque
consideradas una fuente de poder valiosa, no eran seguras. Debía encontrarse
una solución de ingeniería para proteger a la sociedad y evitar explosiones
desastrosas.
Figura 1.7 Restos de la caldera de la Grover Shoe Company
(encontrada a cientos de metros de la planta)
28
Introducción
Figura 1.8 Número de explosiones en EEUU desde 1880 hasta 1990
Un Código de Inspección Uniforme se publicó en EEUU en 1884 y fue
considerado la primera norma emitida por la Sociedad Americana de Ingenieros
Mecánicos (The American Society of Mechanical Engineers, ASME). En
Agosto de 1907 en el estado de Massachusetts se estableció el Consejo de
Reglas
Calderasen(Board
of Boiler
Rules),Enla los
primera
de diseño
de
calderasdeefectiva
los Estados
Unidos.
cuatrolegislación
años siguientes
otros
estados y ciudades decretaron una legislación similar.
El primer Código de Calderas (ASME Boiler Code) fue emitido el 13 de febrero
de 1915. Seis secciones adicionales lo siguieron durante los siguientes once
años. Las primeras reglas para los recipientes a presión fueron dadas a conocer
en 1925. Esta publicación fue titulada “Reglas para la Construcción de
Recipientes a Presión no sometidos a fuego directo” Sección VIII (Rules for
the Construction of Unfired Pressure Vessels).
1.6 El advenimiento de la mecánica de fractura
La Mecánica de Fractura es una disciplina que relaciona la tenacidad del
material, el tamaño del defecto y el nivel de tensiones aplicado. Una Fractura
Frágil es un proceso asociado al colapso de una estructura o componente que
implica muy poca deformación plástica, ocurriendo la falla de manera
catastrófica. La Fractura Dúctil es, por el contrario, un proceso de colapso de
un componente o estructura que se encuentra asociado a excesiva deformación
plástica. La Mecánica de Fractura relaciona la magnitud del campo de tensiones
y su distribución en las adyacencias del defecto con la tensión nominal.
La evolución de la los ensayos relacionados con la mecánica de fractura puede
ser dividida en cuatro períodos. El primero está relacionado con los desarrollos
tempranos, hasta la época de la normalización de los procedimientos de ensayo,
según se vieron en el Capítulo 3. El segundo fue el escenario de la Fractura
29
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Frágil, período hasta el principio de la década de 1950. Con el análisis de las
fracturas ocurridas en los barcos Liberty durante la Segunda Guerra Mundial y
otros casos semejantes, se introdujo el concepto de temperatura de transición,
característico del tercer período. A comienzos de la década de 1980 comenzó el
cuarto período, caracterizado por el desarrollo de la Mecánica de Fractura como
la conocemos hoy, incluyendo la correlación entre la energía absorbida medida
en el ensayo Charpy y otros ensayos fractomecánicos.
El caso de los barcos de la serie Liberty es muy interesante. Al comienzo de la
Segunda Guerra Mundial (1939 – 1945) la armada alemana tenía una fuerte
supremacía tecnológica, que fue en gran medida superada por sus rivales
estadounidenses mediante la producción en masa de gran cantidad de máquinas
afectadas a la guerra. Los submarinos alemanes estaban diezmando a la flota de
cargueros americanos, muchos eran hundidos aún antes de salir del golfo de
México. Los cargueros denominados Liberty se construyeron en grandes
cantidades. Se construían diferentes secciones en el interior del país, los barcos
luego se ensamblaban en los puertos y se botaban. Por primera vez se usaron
cascos íntegramente soldados. Algunos se partieron al medio ni bien se
pusieron en el agua. La Figura 1.9 muestra el casco de uno de estos barcos,
visto media.
desde el
fractura
el casco
su
zona
El muelle,
casco secon
hallauna
apoyado
encircunferencial
el fondo a proaquebró
y a popa,
con suen
zona
central elevada.
Figura 1.9 Casco visto desde el muelle
30
Introducción
1.7 Alcance del análisis de falla
De acuerdo al objetivo de la empresa operadora del equipo fallado, un análisis
posterior a una falla puede incluir distintos niveles de análisis y distintas
finalidades. A continuación se mencionan los modos más comunes de abordar
el problema:
Informe de Condición
En este estudio se informan todas las condiciones consideradas anormal
anormales
es en la
pieza o componente y que puedan haber sido provocadas por el evento
principal o que puedan haber colaborado en la ocurrencia del mismo. En el
informe de condición se realiza un minucioso relevamiento de todas las partes
de interés, documentando con imágenes de alta resolución que pueden
utilizarse con fines investigativos. Se identifican todos los daños, anomalías o
disconformidades encontradas, tipificando cada una de ellas e identificando los
grupos de causas más probables en cada caso. Pueden realizarse END in situ.
Análisis de falla
En
de que
análisis,
busca
identificar
la causa
inmediata
ocasionó
la
falla.este
Ya nivel
dijimos
todasselas
causas
de una falla
pueden
poseerque
un sólo
origen:
el error humano. Sin embargo, en términos relevantes para una unidad
operativa, es común identificar tres tipos de causas que requieren
requieren acciones
diferentes:
•
•
•
Causas físicas: Problemas de composición en los fluidos transportados,
defectos en los materiales, condicione
condicioness ambientales extremas, etc.
Causas Humanas: Instalación impropia, errores de diseño, falta de
aplicación de procedimientos, etc. Están relacionadas con capacitación
del personal y adecuación de las instalaciones.
Causas latentes: Falta de procedimientos, falta de capacitación. Son
condiciones
eventual
falla.que aumentan la probabilidad o las consecuencias de una
Cada una de estas causas requiere una metodología de análisis particular. Las
herramientas utilizadas para el análisis de las causas físicas serán abordadas en
los Capítulos 2 a 5. Las causas humanas y latentes forman parte de temas más
completos, y serán abordadas en los Capítulos finales de este libro.
Un análisis de falla de elementos mecánicos habitualmente incluye:
1. La evaluación de las fotografías y demás antecedentes enviados a Gie y
la recopilación de datos de campo.
2. Definición de las características fractográficas y metalográficas de la
falla:
•
•
Caracterizaciones superficiales y dimensionales
Caracterizaciones microestructurales.
microestructurales.
31
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
3.
4.
5.
6.
Caracterización mecánica y química de los materiales.
Modelado Mecánico de la formación
f ormación del daño inicial y la ruptura final.
Análisis Crítico de
de Ingeniería.
Reuniones específicas de los especialistas para la discusión de los
resultados.
Análisis de Causa Raíz
Por su amplitud y especificidad, esta metodología, usualmente denominada
RCA (Root Cause Analysis), merece un estudio más completo y por ello será
tratada en profundidad el Capítulo 7. En resumen, un estudio típico incluye:
1.- Realización del árbol de causa efecto.
2.- Recopilación y revisión de antecedentes y datos de campo.
3.- Definición de las características fractográficas y metalográficas de las fallas
4.- Ensayos experimentales para la caracterización de los materiales y de la
propagación del defecto iniciador (Caracterización mecánica, química, vía MEB
y vía EDS)
5.- Modelado Mecánico de la formación del daño inicial y la ruptura final
6.- Análisis
Crítico
de Ingeniería
y Definición
Causas
Raíz: En un
proceso
iterativo
se van
verificando
y eliminando
una adeuna
las alternativas
mediante
median
te
investigaciones y datos experimentales. Se concluye con la descripción de las
causas de la falla, se explicitan los eventos, circunstancias
circunstancias y barreras excedidas
que realmente influyeron su ocurrencia. Las conclusiones son consensuadas
con el responsable técnico a cargo del proyecto.
7.- Reuniones específicas, que son normalmente definidas como de tormenta de
ideas (“Brain Storming”).
Análisis Pericial
Esta rama de la actividad, también denominada ingeniería forense (“Forensic
Engineering”) se distingue porque es llevada a cabo
cabo en un contexto de litigio,
real o posible. A diferencia del RCA, donde se busca encontrar todas las causas,
en este caso el estudio apunta a encontrar todos los antecedentes legales y
técnicos que favorezcan los intereses de una o varias de las partes involucradas
en un incidente dañoso. Comparte con los demás niveles gran parte de las
técnicas, pero los expertos deben interactuar con otros agentes: el
departamento legal, las compañías de seguro involucradas en el siniestro, las
agencias de ajuste y liquidación de siniestros (“Insurance Adjusters”), etc. El
análisis pericial habitualmente involucra:
1. Evaluación de las fotografías
f otografías y demás antecedentes operativos y recopilación
de datos de campo.
2. Definición de las características fractográficas y metalográficas de la falla
-Caracterizaciones superficiales y dimensionales
-Caracterizaciones microestructurales.
microestructurales.
32
Introducción
3. Caracterización mecánica y química de los materiales.
4. Modelado Mecánico de la formación del daño inicial y la ruptura final.
5. Análisis Crítico de Ingeniería.
6. Asesoramiento a nivel gerencial y respaldo técnico en las negociaciones
pertinentes.
Como
veremos al finalizar
libro,
análisis de falla
conllevaenunelalto
grado
de
confidencialidad,
pero el
éste
es todo
particularmente
importante
caso
de
análisis periciales en contextos potencialmente litigiosos. Una rama particular
del análisis pericial involucra los casos donde la definición de las
responsabilidades,
responsabilidad
es, y particularmente de los costos económicos derivados de una
falla, involucra juicios. En estos casos, es común encontrar expertos peritos que
manejan los aspectos legales y confrontacionales, manejo de los medios y la
opinión pública, etc., en lo que se conoce como “Expert Witnessing”. La
mayoría de las capacidades y técnicas involucradas en esta disciplina están fuera
del propósito de este libro.
EJEMPLO 1.A Análisis pericial accidentológico
El análisis pericial o de ingeniería forense descripto en este ejemplo se llevó a
cabo como consecuencia de un choque frontal ocurrido entre un camión y un
autobús que causó 15 muertes entre los pasajeros del autobús. El comitente en
este caso fue la compañía de seguros del camión. En el análisis realizado por la
policía caminera en el momento posterior al choque carretero surgió evidencia
que prueba que el accidente se produjo por una falla mecánica en el camión, y
que el choque había ocurrido en el carril correspondiente al autobús.
La carretera es de dos carriles en el lugar del accidente. El camión involucrado
es del tipo chasis tractor y caja, con un remolque o “acoplado” cuyo peso
supera con creces al del chasis tractor. El accidente y posiciones iniciales de los
vehículos fueron determinadas por el estudio de las marcas en el pavimento, la
posición y finales
la forma
de las del
deformaciones
posiciones
después
accidente. y otros daños en los vehículos y sus
Las marcas en el carril de marcha del autobús (derecha en Figura 1.A1) se
corresponden con las marcas del vehículo luego del choque frontal, pero
también se encontró evidencia del arrastre del brazo (“lanza”) que unía al chasis
tractor con el acoplado del camión, el inserto a la izquierda en la Figura 1.A1
muestra un arañazo semicircular sobre el pavimento producido por la lanza,
que cruza la línea central de la ruta. La Figura 1.A2 muestra una secuencia de
tres pasos en el transito del camión, definida una vez ffinalizado
inalizado el análisis.
33
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 1.A1
Figura 1.A2
La composición fotográfica de la Figura 1.A3 compendia los resultados de la
investigación mecánica. La Figura 1.A3 (A) muestra una unión de ojal y perno
en la lanza del remolque. El ojal está conectado al aro de amarre en el tractor. A
la izquierda se aprecia el perno fracturado en su rosca (B), y la tuerca
correspondiente (C), encontrada en el campo aledaño a la ruta, a unos diez
metros del puente indicado en la Figura 1.A2.
34
Introducción
D
B
C
A
Figura 1.A3
Los detalles y resultados de los estudios fractográficos, metalográficos y
mecánicos y modelos numéricos de transferencia de carga y propagación de
fisura escapan, en este momento, al objeto de la presentación. Luego de la
rotura, el remolque quedó enganchado al tractor por las cadenas de seguridad,
pero se fue torciendo hacia la izquierda, invadiendo el carril contrario (Figura
1.A2). Si el camión hubiera podido continuar su marcha unos pocos metros
más, los tubos de los frenos de aire del remolque se habrían desenganchado, y
el
frenad
o. El accidente
debió por
a la fatiga
fall
fallaa del
ojen
al,
queremolque
a su vezsesehabría
debió frenado.
a la propagación
de unase fisura
(verperno
flechaojal,
Figura 1.A3.C). Se encontraron pruebas de desgaste prematuro en el perno
(Figura 1.A3.D) debido a la fricción contra las paredes de su alojamiento en la
lanza. El perno fue sometido a un rápido proceso de degradación
degradación debido
debido al
desgaste y a cargas cíclicas, aumentadas por huelgos excesivos en el tren de
transferencia de la carga entre el chasis tractor y el
el remolque, después de sólo
sólo
un año de uso.
La mayor responsabilidad
responsabilidad del accidente está referida a una
falla en el camión. Sin embargo, el análisis pericial le dio al comitente algunas
armas para defender su posición. En primer lugar, se había sometido al
remolque a la inspección obligatoria pocos meses antes. Los métodos de
inspección no fueron suficientes para detectar ningún desgaste o daño, lo cual
permite definir como una causa del incidente a que los métodos de inspección
del sistema de transporte de remolques de carga no son adecuados.
35
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Otro factor que contribuyó al accidente está relacionado con la insuficiencia de
las condiciones de la carretera. En la Figura 1.A1 se indica que a la salida del
puente (primer evento) existía un hueco o bache en la carretera. En realidad se
trataba de un descalce entre la estructura del puente y la cinta asfáltica. Este era
el punto más fuerte de la defensa del comitente, ya que la posición donde fue
encontrada la tuerca confirma que la rotura del perno se produjo en ese lugar.
Independientemente
del daño
previo enlaelfractura
perno, las
altas cargas
impacto
provocadas
por el bache
provocaron
instantánea
deldeperno
de
enganche. La ruta estaba a la sazón concesionada a una empresa privada bajo
un régimen de peaje. Era obligación de dicha empresa mantener la vía. Una
semana después del accidente, el bache a la salida del puente fue reparado, lo
que podría entenderse como una aceptación de falta por parte del
concesionario. El resultado del litigio escapa al objeto de este ejemplo.
1.8 Comentarios finales
Para establecer una adecuada comunicación entre las partes legal e ingenieril
vale aclarar el significado de algunos términos. Se entiende
entiende por discontinuidad a
una
imperfección
soldadura.
Peroosiespecificación
ésta excede losacordada),
límites definidos
en el
estándar
de calidadde(código,
norma
se denomina
defecto y debe ser removido o reparado. Un defecto eleva la probabilidad de
ocurrencia de una falla, y una falla es la ocurrencia de un evento que impide el
normal funcionamiento del equipo. Así, por ejemplo, una inclusión de escoria
atrapada en la soldadura por debajo de cierto tamaño es una discontinuidad. Si
supera cierto tamaño, definido por los estándares de calidad, se convierte en un
defecto.
Normalmente los defectos no son causa segura de falla. La probabilidad de
aparición de una falla aumenta con el tamaño de los defectos y con las cargas o
presiones aplicadas al material durante el servicio. Cuando los defectos son muy
importantes en tamaño o se asocian con otros defectos, entonces la falla puede
ocurrir. Los defectos en su mayoría generan una reducción de sección
resistente, pero si son muy agudos generan lo que se denomina una alta
concentración de tensiones.
Los defectos en un material solamente podrán provocar una falla si están
sometidos a esfuerzos suficientemente importantes. Estos esfuerzos o tensiones
t ensiones
mecánicas provienen de las distorsiones térmicas durante el proceso de
fabricación y soldadura (denominadas tensiones residuales) y de los derivados
de las condiciones de funcionamiento del equipo (debidas a las cargas
cargas o
presiones de trabajo). Los esfuerzos o tensiones mecánicas se concentran en el
vértice de las entallas o fisuras agudas. En materiales dúctiles la propagación de
defectos genera habitualmente una pinchadura, es decir, una pérdida o fuga de
fluido. En el caso de los materiales frágiles, puede ocurrir la fractura rápida del
ducto, lo que usualmente genera pérdidas mucho mayores.
36
Introducción
La falla en servicio es normalmente muy perjudicial para el operador del equipo,
ya que incurre en costos de reparación más costos de lucro cesante, posibles
daños a las cosas y a las personas, multas o acciones judiciales por
incumplimiento a los clientes, pérdida de los mismos, etc. Por ello, antes de
poner en funcionamiento normal a un equipo nuevo o un equipo reparado, se
realizan ensayos y pruebas de carga. Estas pruebas se realizan debido a que los
procedimientos
los procesos
de fabricación
o reparación
por
soldadura
no sonreconocen
perfectos,que
y suelen
dejar defectos
que a veces
pueden pasar
indetectados en los ensayos no destructivos. Si los defectos no generan fallas en
la prueba preoperacional, la experiencia indica que no se producirán fallas en
servicio por un cierto número de años.
Una Norma, Código o Standard es un documento que establece reglas de
cumplimiento mandatorio en el país de origen. En muchos casos los requisitos
contractuales establecen que las partes se comprometan a la utilización de
normas de otros países. Así, el ASME Boiler and Pressure Vessel Code es una
norma estadounidense que se utiliza comúnmente en nuestro país. Sin
embargo, esta norma es aplicable solamente a la fabricación de equipos nuevos
sometidos a presión. Los procedimientos de la norma no son mandatorios a
casos
de no
reparación
de equipos
viejos
y, en muchos casos, algunas de sus
cláusulas
son aplicables
a los casos
de reparaciones.
Por ejemplo, el tener que soldar sobre materiales de antigua tecnología y
previamente degradados por el uso, en muchos casos impide el uso de
tratamientos térmicos post soldadura y requiere de materiales y procedimientos
de soldadura diferentes a los utilizados en la fabricación original. A esto debe
agregarse que la soldadura de reparación de tramos de tubos se realiza sobre el
equipo ya armado, con lo que aparecen problemas de acceso y de tensiones
residuales. Por ejemplo, cuando se suelda el centro de un tubo libre, sus
sus
extremos se contraerán durante el enfriamiento de la soldadura, pero si se
suelda un tubo empotrado en sus extremos, el tubo no podrá contraerse
contraerse y
entonces se generaran altas tensiones mecánicas residuales de empotramiento.
Comúnmente toda fisura es considerada defecto y es rechazable. No sucede lo
mismo con otras discontinuidades como porosidad e inclusiones de escoria en
soldaduras, distorsiones en barras o placas, etc., que dependen del caso. El
término desviación se debe entender como todo aquello que se aparta de lo
indicado en la Especificación de Fabricación.
Una falla común es el resultado de una combinación “desafortunada” de
defectos y errores. Por ejemplo, en una falla de caldera se detectaron
pinchaduras, producidas por la asociación de defectos de socavadura en la cara
interior de los tubos con inclusiones de escoria en la cara exterior. Esta unión
de defectos previos produjo una notable reducción de sección resistente y una
alta concentración de tensiones. Los esfuerzos en los tubos se debieron a la
suma de las tensiones residuales longitudinales introducidas durante la
37
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
soldadura del extremo opuesto del niple (tensiones de empotramiento) y las
correspondientes a la presión interna.
Para aquellos que deseen entender los aspectos más físicos del problema de
resistencia y falla de los materiales, y no tengan conocimientos científicos
previos, se recomiendan otros títulos de lectura sencilla, pero en inglés:
•
•
•
"The New Science of Strong Materials or Why You Don't Fall
Through the Floor" James Edward Gordon. ISBN 0691023808. Este
es un tratado muy legible en la ciencia de los materiales que destaca la
fortaleza de los enlaces químicos y físicos, estructura cristalina y grietas.
El autor presenta problemas físicos y químicos, y cómo han sido
resueltos. También muestra que la resistencia de los materiales es
influenciada tanto por los sistemas de sus entornos y cargas como por
sus propias estructuras y formas.
“Structures: Or Why Things Don't Fall Down”, también del Profesor
Gordon. Este libro cubre el mismo material, pero en mayor
profundidad y con más ilustraciones.
"Why Things Break: Understanding the World by the Way it Comes
Apart", Mark E. Eberhart. ISBN 1400048834.
1400048834. “Por qué se rompen los
objetos" versus "Cuándo se rompen los objetos" define el interés
práctico del autor al abordar el tema de la fractura en diseño. El autor
se interesa en el por qué de la fractura, que en definitiva es una
propiedad de las uniones interatómicas. Comienza por definir a la
fractura como la primera tecnología utilizada por el hombre: la rotura
de rocas para formar herramientas útiles. Esta tecnología fue refinada
por prueba y error durante cerca de un millón de años hasta la primera
edad de los metales. El uso de los metales también avanzó por ensayo y
error a través del cobre, bronce, hierro y acero.
El desarrollo de temas relacionados con el análisis y la prevención de fallas en
componentesde sometidos
a presión
pueden Tecnológicas
encontrarse de
en EUDEM.
la anterior
publicación
esta colección
de Herramientas
El
libro “Cañerías y Recipientes de Presión” (ISBN 978-987-1371-18-1),
particularmente en su Tomo 2: “Daño en Servicio”.
Muchas empresas son renuentes a publicar informes de accidentes. Esta actitud
puede entenderse, aunque Kletz (1991) argumenta que la publicación de
información que puede evitar otros accidentes es una obligación moral. Se
recomienda la suscripción a la revista Engineering Failure Analysis (Elsevier Sc.,
ISSN 1350-6307). Esta revista científica se especializa en la resolución de casos
prácticos y desarrollos novedosos en técnicas de análisis de fallas. Los artículos
técnicos ser refieren en su mayoría a fallas de elementos estructurales.
Algunas
organizaciones
internacional
disponen
asesoramiento
asesoramien
to técnico
online. ASM
Internationalinternacionales
ofrece el esCentro
de de
Análisis
de Falla
de ASM
38
Introducción
(anteriormente American Society for Materials), para ayudar a los técnicos,
consultores e ingenieros en problemas técnicos relacionados con corrección y
prevención de fallas. Con más de 1.000 casos, el nuevo centro en línea está
diseñado para ayudar a encontrar y comprender casos relacionados con
materiales y modos de falla presentes en una investigación en curso. El Centro
de Análisis de Falla de ASM se basa en las colecciones de historias de caso que
ASM ha publicado
en revistas,
de enseñanza
librosestá
de clasificado
referencia.
Cubriendo
más de 700
tipos demateriales
material específicos,
caday caso
por tipo de material, industria y aplicación involucrados.
Los profesionales que requieran de ayuda más específica en relación con un
análisis de falla pueden ponerse en contacto con alguna de las organizaciones
especializadas en este campo, tales como Gie, entre otras, en Argentina.
BIBLIOGRAFÍA
1. H. Petroski: To Forgive Design: Understanding Failure, Harvard
University Press, 2012.
2.
Engineering
MarzoUnderstanding
2012, Vol. 134 the
No.World
3.
3. Mechanical
Mark E. Eberhart:
"WhyMagazine,
Things Break:
by
the Way it Comes Apart", ISBN 1400048834.
4. Kletz, T. A.: Lessons from Disaster - How Organizations Have No
Memory and Accidents Recur, Institution of Chemical Engineers,
Rugby, UK, 1993.
5. Fallas mecánicas: Distintos niveles de análisis. www.giemdp.com.ar
www.giemdp.com.ar
6. James Edward Gordon: "The New Science of Strong Materials or Why
You Don't Fall Through
Through the Floor", ISBN 0691023808.
0691023808.
7. Otegui, J.L.: Binder C.A. s/ supuesto múltiple Homicidio culposo en
accidente de tránsito. Juzgado No. 1, Corrientes, Argentina,
Argentina, 1994.
8. Baker J.S., Fricke L.B.: “The Traffic-Accident Investigation Manual”,
Northwestern University Traffic Institute, USA, 6th. Ed., 1986.
9. Otegui, J.L.: Fatigue Damage Leads to a Serious Traffic Accident.
Engineering Failure Analysis, ISSN 1350-6307, Vol. 9 pp. 109-122,
2002.
10. Kletz, Trevor A.: Learning from Accidents, 2nd ed.,
Butterworth-Heinemannn Ltd 1994, ISBN 0 7506 1952 X.
Butterworth-Heineman
11. Otegui J.L, Rubertis E.: Cañerías y Recipientes de Presión, EUDEM,
Editorial U.N.M.d.P., ISBN 978-987-1371
978-987-1371-18-1.
-18-1. 2008.
39
CAPÍTULO 2
HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS
PRELIMINAR DE UNA FALLA MECÁNICA
2.1 Metodología para la Investigación en campo luego de accidentes
2.2 Recopilación de datos e Historial
2.3 Técnicas de Inspección
Inspección Visual y Fotografía de campo
EJEMPLO 2.A Identificación de origen de falla
f alla
EJEMPLO 2.B Detección de daño previo en servicio
EJEMPLO 2.C Falla de estructura abulonada
2.4 Cómo detectar el sitio de iniciación de una falla mecánica
2.5 Extracción y Conservación de muestras
2.6 Inspección mediante técnicas de Ensayos No Destructivos
2.7 Organización de los equipos de trabajo
BIBLIOGRAFÍA
2.1 Metodología para la Investigación en campo luego de accidentes
El objetivo de este capítulo es definir los lineamientos iniciales que permitan
realizar el análisis preliminar de falla de un incidente mecánico, con el fin de
facilitar las investigaciones posteriores que permitan determinar las causas que
originaron la falla. Este capítulo incluye la definición del equipo de análisis, la
extracción y conservación de las piezas falladas y elementos de prueba, y la
definición de los lineamientos para el análisis de falla a realizar.
El éxito de una investigación post falla, especialmente en el caso de fallas
mecánicas que involucran grandes energías (choques, explosiones, etc.),
depende críticamente
críticamente de la ccalidad
alidad de las pruebas colectadas
colectadas en el sitio. Los
objetivos de esta sección son los siguientes:
•
•
Listar las principales actividades después de un accidente o explosión e
indicar cómo se puede llevar a cabo una investigación sistemática de
causas.
Discutir cómo los daños pueden ser evaluados para entender la cadena
de acontecimientos.
En caso de un accidente de grandes equipos el grupo de tarea o el comité de
investigación estarán involucrados en la próxima etapa, esto es, continuar la
operación de las instalaciones y analizar el accidente. Para eventos menores,
esta actividad a menudo se realiza internamente por la empresa responsable.
41
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Documentar el
daño
Contener el
daño de la
planta
Coordinación
Información
Reparar el
equipo
Buscar la
causa
Figura 2.1 Objetivos de investigación
La Figura 2.1 muestra los principales objetivos de este trabajo. Como se
muestra en la figura, la función de coordinación es importante ya que algunas
de estas actividades tendrán diferentes prioridades u objetivos. Por ejemplo, la
reparación de equipos y documentación de los daños pueden ser
contradictorias, si no es coordinada. Durante la limpieza, los indicadores de
daño pueden perderse. Después de un accidente una reacción común es
comenzar la limpieza sin la documentación de los daños en mente. Es
necesario, por tanto, que una persona presida
presida el Comité
Comité de Investigación y
coordine todas las actividades. Investigar la causa del accidente puede requerir
mucho tiempo y recursos.
El objetivo de esta evaluación in situ es obtener la información que permita
reconstruir hacia atrás los acontecimientos, a partir de los daños observados y
de la declaración de los testigos oculares. Para realizar el análisis se requiere
personal calificado. Baker et al (1983) recomienda la participación de expertos
inmediatamente después del accidente. De lo contrario se perderá la mayoría de
los indicadores de daño útiles.
La documentación del daño debe comenzar inmediatamente y debe hacerse por
un experto en análisis de fallas del tema específico (respuesta estructural,
combustión, turbinas, etc.). En muchos casos las metodologías se basan en el
análisis a posteriori de fotografías tomadas en el lugar, tanto de la zona general
como de los daños específicos, por lo que normalmente se utiliza un fotógrafo
42
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
profesional. Se requiere hacer registros sistemáticos de ubicaciones y
direcciones de todas las fotografías tomadas.
Se debe asimismo organizar un mapa de fragmentos, su posición original y su
posición final. Los fragmentos suelen ser un buen indicador de dónde se
produjo la falla inicial y de su magnitud. La Figura 2.2 muestra las trayectorias
de cuatro
de motoras
cubiertas
de un caso real. La carcasa del Motor A
voló
hastapartes
15 metros
de su posición
posi
ción original.
Trayectoria del fragmento
Carcasa
Motor
A
Carcasa
Motor
B
Flexión
Figura 2.2 Fragmentos y estructuras de desviación dan información valiosa
Los fragmentos de la carcasa del motor A permiten considerar que ha
incursionado gas combustible en el Motor A y la falla inició como una
explosión bajo la carcasa A.
Las deformaciones y deflexiones de estructuras son también indicadores de
daños. En la carcasa del motor B muestra deflexiones hacia adentro, lo que
indica una carga desde el exterior. Habitualmente, la deflexión de tubos, paneles
y otros elementos, así como la dirección de la rotura de cristales pueden
utilizarse para estimar orígenes e intensidades de las cargas durante una
explosión (Baker et al., 1983).
2.2 Recopilación de datos e Historial
El representante en campo deberá recolectar todo el historial de fallas en la
zona, fallas del mismo tipo, inspecciones en el lugar de la falla, etc. Deberá
recolectar informes adicionales si el caso lo requiere, tales como: informes
meteorológicos, informes de inundaciones, sísmicos, etc.
El representante en campo deberá recolectar la información de la operación
histórica del componente o equipo y específicamente del momento en que
ocurrió la falla. Deberá entrevistar o solicitar que se realice una entrevista a los
operadores, pobladores cercanos y toda aquella persona que pueda aportar
datos sobre la falla, así como recolectar información sobre la extracción de las
muestras y características de la zona de la falla, dependiendo la falla ocurrida. Es
necesario saber en qué medio se ha desarrollado y/o qué características del
43
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
medio ayudaron para que la misma se propague. Es importante realizar un
croquis del terreno y zona de falla.
El representante en campo determinará preliminarmente qué tipo de falla
ocasionó el evento y asociará los mecanismos de daño determinados en el
informe de integridad preliminar. Deberá buscar en la base de datos fallas del
mismo tipo si
hubiese, con
objetivo
de encontrar
alguna correlación.
El
responsable
delas
la inspección
enelcampo
desarrollará
un informe
preliminar con
el detalle de lo relevado, planos de ubicación, condiciones operativas al
momento de la falla, relevamiento de condiciones anómalas externas y demás
datos de interés para definir un panorama previo del evento.
Habitualmente será un representante de mayor jerarquía, por ejemplo el Jefe de
Integridad de Planta, quien definirá la necesidad y determinará qué tipos de
análisis de falla deberán realizarse. El representante en campo deberá luego
asumir la responsabilidad de interactuar con la empresa que realice el análisis de
falla, coordinando y suministrando la información necesaria, así como con las
distintas dependencias de la empresa.
2.3 Técnicas de Inspección Visual y Fotografía de campo
La inspección visual es un método de ensayo basado en la detección de
determinados elementos utilizando básicamente el ojo humano y la experiencia
del inspector. Normalmente cuenta con a ayuda de herramientas tales como
lupas, cámaras, medidores, baroscopios, cámaras fotográficas, videocámaras,
etc.
Para llevar a cabo la inspección visual se debe garantizar una buena iluminación.
Se puede tomar como valor de referencia un mínimo de 1000 lux, pudiendo
necesitarse fuentes de iluminación adicionales a las existentes en el lugar.
Asimismo, la zona y los componentes donde se realiza el ensayo deben estar
adecuadamente limpios. Todos los instrumentos que se utilicen para mejorar la
apreciación del sistema de ensayo deben estar en buenas condiciones.
Generalmente la Inspección Visual es el primer ensayo y uno de los más útiles,
ya que es un ensayo de bajo costo, no requiere equipamiento sofisticado y se
complementa con todos los otros métodos de ensayo. Debe ser documentado
para no perder validez. Dentro de las limitaciones del método se puede
mencionar que sólo detecta problemas superficiales y que se requiere un “ojo
experimentado”.
El examen de la superficie de fractura permite obtener una gran cantidad de
información respecto del origen y las causas de una fractura en un componente
sometido a cargas mecánicas. Durante el análisis preliminar, habitualmente en el
sitio o en algún lugar protegido dentro de las mismas instalaciones donde
44
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
ocurrió la falla, se realizan evaluaciones visuales, con la ayuda eventual de una
lupa. Esto es, la magnificación de las superficies varía entre X1 y X10.
En esta evaluación es posible analizar los daños, posibles deformaciones, fisuras
y otros defectos existentes, y lo más importante: el sitio de iniciación de la falla.
A partir de las muestras inspeccionadas se realizan descripciones visuales
cualitativasindicios
de las distintas
de la superficie
fractura y desgaste,
otros sitiosfatiga,
que
presenten
de dañozonas
de cualquier
índole de(corrosión,
defectos de fabricación, etc.). En algunos casos es necesario recurrir a otros
métodos de evaluación no destructiva, que se discutirán al final de esta sección.
El responsable en campo debe poseer conocimiento y experiencia en las
técnicas fotográficas. Las variables “mecánicas” principales de una cámara
fotográfica son la apertura y el tiempo de exposición. Para conseguir el
equilibrio de luz en cada exposición se combina la apertura de diafragma con el
tiempo de exposición. El diafragma es una parte del objetivo que limita el rayo
de luz que penetra. Funciona como el iris del ojo humano, abriéndose o
cerrándose para permitir que entre más o menos luz. La
L a apertura del objetivo se
llama apertura de diafragma. Si se aumenta la apertura de diafragma (más
luminosidad)
reducirdeel otra
tiempo
de exposición
(tiemposerá
que muy
la película
está expuestahaya que
la luz),
manera
la fotografía
clara
(sobreexpuesta).
Figura 2.3 Apertura de diafragma y profundidad de foco
Para captar la luz que hay en la escena, si se reduce la apertura del diafragma
(menos luminosidad) hay que alargar la exposición o de otra manera quedaría
una imagen oscura (subexpuesta). La apertura del diafragma se mide en
números f. El menor de los números indica la apertura máxima. Cada vez que
se pasa a un f menor, la luminosidad se reduce a la mitad. F11, por ejemplo,
45
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
tiene el doble de luminosidad que f16 y la mitad que f8. La escala de números f
básica es: f1, f1.4, f2, f2.8, f4, f5.6, f8, f11, f16.
El obturador limita el tiempo que el rayo de luz penetra en la cámara y expone
la película. Mediante el obturador
obturador se controla el tiempo necesario
necesario para que la
la
película se exponga el tiempo justo a la luz. Habitualmente los tiempos de
exposicióndevarían
desde
(para
luz muy
milésimas
segundo
(parasegundos
fotografías
muycondiciones
rápidas). Losdetiempos
másmalas)
usuales,a
en segundos, son: ...4, 2, 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/15, 1/30, 1/60, 1/125, 1/250,
1/500, 1/1000, 1/2000...
Tanto en cámaras automáticas como en manuales se puede elegir una apertura
determinada y obtener un tiempo de exposición estimado, y viceversa. En
análisis de fallas es importante disparar gentilmente, y apoyar la cámara. Muchas
veces es necesario aportar otra fuente de luz. Si los tiempos de exposición son
mayores a 1/15, entonces debe utilizarse un trípode. Cuando la fotografía se ve
completamente borrosa, es que la velocidad de disparo fue muy lenta para la
forma en que se sostenía la cámara. ¼ s f: 3.5. Cuando una parte de la imagen
está borrosa y la otra no, es que no se logró el foco adecuado (Figura 2.4a).
La
es fundamental
para
obtenerenbuenos
de tan
una cerca
falla.
Nosfunción
permiteMacro
enfocar
muy cerca del
objetivo,
algunasdetalles
cámaras
como 1 cm. Es muy recomendable para distancias focales menores de 30 cm.
Cuando se busca obtener fotografías
f otografías de superficies de fractura, debe entenderse
que no necesariamente toda la fractura esta en un mismo plano. Por lo tanto, se
debe utilizar buena profundidad de campo, lo máximo que podamos (Figura
2.4b).
a
Figura 2.4 (a) Fotografía sin campo adecuado
(b) Fotografía con profundidad de campo
46
b
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Figura 2.5 Fractura iluminada de distintos ángulos
Otro aspecto importante es la variación de la dirección de la fuente de luz. La
Figura 2.5 muestra la misma fractura iluminada desde distintos ángulos. Se
observa cómo cada fotografía muestra distintas cosas. Aunque no lo parezca,
algunas pueden ser relevantes en un futuro, aún cuando en el momento no
parezca así.
Para fotografiar fracturas, el flash no es nuestro amigo ya que aplana la imagen.
Si se fotografía al sol o con una fuente de luz fuertemente localizada,
contradiciendo las reglas usuales, es mejor el sol en contra (con ángulo de
incidencia).
Las superficies planas, tales como las metalografías, salen bien tanto con luz
artificial como con natural. La profundidad de campo deja de ser un problema,
basta con concentrarse en el encuadre. Si se fotografía con luz artificial es
conveniente compensar los blancos. Las superficies muy brillosas no suelen dar
mucha información en las fotos, siempre es más fácil si la superficie es opaca,
como en el caso de una metalografía revelada con un agente químico como
Nital, pues tenemos menos brillos. Si se requiere fotografiar una superficie
brillante, se debe colocar la fuente de luz de manera tal de eliminar brillos en la
lente.
47
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 2.6 Macro fotografía
fotografía de sección metalográfica
metalográfica
En resumen, se puede decir que las cámaras digitales modernas han
simplificado la actividad pericial del experto en fallas, pero no hacen milagros.
Antes de sacar las fotos, es necesario saber qué se quiere mostrar y buscar la
posición de la fuente de luz y del ojo hasta ver lo que se quiere ver. Luego,
intentar que la cámara vea lo mismo que el operador. Lo atractivo de las nuevas
cámaras de alta resolución (5 mega píxeles o más) es que en una foto bien
sacada, luego se pueden observar más detalles incluso que los que se veían a
simple vista, mediante zoom electrónico y un programa de computador. Como
en toda actividad fotográfica, siempre se recomienda sacar muchas fotos con
leves variaciones, para luego elegir las más adecuadas.
2.4 Cómo detectar el sitio de iniciación de una falla mecánica
2.4.1 Análisis Fractográfico
El Análisis Fractográfico es la inspección y caracterización de las superficies de
las fracturas y fallas. En la etapa preliminar en campo sólo es posible realizarlo
hasta cierta magnificación (hasta aprox. X20). En laboratorio y con técnicas de
microscopía electrónica de barrido es posible llegar a magnificaciones mucho
mayores. El análisis fractográfico preliminar permite definir:
•
•
•
•
48
Tamaño crítico del defecto al producir
producirse
se la falla
Modo de propagación de la falla
Sitio de iniciación de la falla y defectos preexistentes
Modo de propagación previa en servicio de los defectos preexistentes.
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Veremos algunos ejemplos de casos típicos de fractura de componentes
sometidos a cargas mecánicas. Podemos definir tres grandes tipos de superficie
de fractura, que pueden ser diferenciados durante esta etapa de inspección
preliminar:
•
Fractura frágil: evento instantáneo, al momento de la falla
•
Fractura
propagación
puede durar
desdecomo
algunas
centésimasdúctil:
hastaaunque
algunossusegundos,
es también
definido
un
evento instantáneo
instantáneo al mome
momento
nto de la falla
Propagación previa: también llamada propagación estable, o subcrítica,
ocurrió durante algún tiempo durante la vida en servicio, debido a
condiciones particulares de la operación (cargas cíclicas, temperatura,
ambientes agresivos, etc.).
•
La Tabla 2.1 resume las características de las fracturas dúctiles y frágiles, y sus
manifestaciones en una inspección visual de la superficie de fractura.
Tabla 2.1 Características de fracturas dúctiles y frágiles
• Estrechamiento o distorsión
en dirección consistente a la
aplicación de las cargas
• Fractura fibrosa y mate
• Cizalla
•
•
•
•
Poca o ausencia de distorsión
Fractura llana
Textura brillante, cristalina,
cristalina, granular
granular
Rayas o puntos de origen Chevron
49
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La Figura 2.7 muestra típicas fracturas dúctiles, en muestras ensayadas en
laboratorio. La Figura 2.7.a muestra una
una típica fractura a 45 grados de la
superficie de la chapa, esto es típico en chapas de acero estructural. En tuberías
y recipientes de presión
presión modernos de alta resistencia, son frecuentes las chapas
chapas
producidas por laminación con tratamiento termomecáni
t ermomecánico
co controlado, del que
hablaremos en algún detalle más adelante. En estos casos puede ocurrir que la
superficie
aparezca
como
se indica
inde
dicafalla
en ladúctil
Figura
2.7.b.
2.7.b. como una sucesión de franjas a 45 grados,
a
Figura 2.7 (a) Fractura a 45º de la superficie (b) Sucesión de franjas a 45º
Otra característica de las fracturas dúctiles es que ocurren luego de que la
sección sufrió alguna cantidad apreciable de deformación plástica. Un resultado
de esta plastificación suele ser una reducción de sección, como se muestra en la
Figura2.8.
Figura 2.8 Reducción de sección previa a la rotura en una unión soldada (sombreada)
50
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
La fractura frágil de metales a nivel macroscópico está caracterizada por una
superficie generalmente plana, perpendicular a la dirección de los máximos
esfuerzos. No se observan signos de deformación plástica. Si la limpieza de la
superficie de fractura lo permite, en la inspección con lupa es posible ver a
veces una superficie facetada, con pequeños planos generalmente brillantes,
Figura 2.9.
Figura 2.9 Superficie facetada y “chevrones” en una fractura frágil
A escala macro, una característica de la fractura frágil es la formación de las
marcas Chevron. La Figura 2.9 muestra también un ejemplo de dichos
“chevrones”. Son marcas en forma de flecha o V, en la superficie de fractura.
En fracturas que propagan en forma frágil, estas V apuntan hacia el sitio de
iniciación. La formación de estos chevrones se debe a que, en las zonas
cercanas a las superficies de la pieza, la del frente de la fisura propaga en un
campo plano de tensiones, mientras que en la zona media del espesor el vértice
de la fisura se encuentra en una zona de alta triaxialidad de tensiones de
tracción.
Como veremos en el Capítulo 6, el campo triaxial de tensiones dificulta la
deformación plástica, es por eso que la propagación tiende a ocurrir en
condiciones de mayor fragilidad. Por ende, la propagación es más lenta cerca de
las superficies y la fisura avanza con un cierto ángulo desde la zona media hacia
las superficies, en vez de en un frente plano. Las pequeñas variaciones en los
sucesivos planos de propagación de la fisura al atravesar distintas
microestructuras en el material producen las V características. Cuando el
esfuerzo que propaga la fractura no es completamente tractivo sino que tiene
un componente de flexión, los esfuerzos cerca de una de las superficies son
mayores que en la otra. Esto hace que las dos patas de las V puedan no ser del
mismo largo, es decir, las puntas de las flechas no se ubiquen en la zona media
del espesor.
Frecuentemente, en la cercanía de las superficies de la pieza se genera un
cambio
en Este
la restricción
flujo plástico,
reduce el grado
de
tensiones.
cambio deal condiciones
(desedeformación
planadea triaxialidad
tensión plana,
51
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
que será también tratado en mayor detalle en el Capítulo 6, provoca en muchos
casos un cambio en el modo de propagación. Aún cuando la fractura sea frágil
en la mayor parte del espesor, se generan dos delgadas capas de fractura dúctil
adyacentes a las superficies de la pieza. Estas capas se caracterizan por formar
uno labios a 45 grados, denominados labios de corte o “shear lips”, debido a
que esta propagación dúctil
dúctil está relacionada, como
como ya vimos, con las tensiones
máximas de corte.
Dichos shear lips pueden apreciarse claramente en la Figura 2.9, como dos
angostas bandas menos brillantes en las partes superior e inferior de la figura.
El ancho de los shear lips indica el grado de fragilidad del material. Los shear
lips de la Figura 2.5, por ejemplo, son mucho mayores. Entre ambos abarcan el
75% de la superficie de fractura. El uso de esta información se discutirá en
mayor detalle en otras secciones.
Una característica frecuente es que las fracturas comienzan en modo frágil en
zonas con defectos previos y/o concentradores de esfuerzos. Cuando la
fractura alcanza un cierto tamaño, la fuerza impulsora ya es suficiente para
continuar su propagación, aún cuando el material sea dúctil. Las características
mecánicas
de este fenómeno
se verán
en cierto
detalledúctil
en el esCapítulo
6. Por
ende, la transición
entre fractura
frágil
y fractura
una primera
indicación de la zona de la fractura donde inició la falla. Por ejemplo, en la
Figura 2.10 se observa la fractura circunferencial ocurrida en una tubería por
efecto de cargas axiales en la zona de la soldadura. La mayor parte de la fractura
es de tipo dúctil (Figura 2.10.a), con escalones a 45° y contracción lateral. Pero
en la zona de iniciación (Figura 2.10.b) la fractura es en dirección del espesor (a
90° de la superficie del tubo), sin contracción lateral. Se ven aquí, además, unas
marcas que avanzan paralelas desde la superficie exterior del tubo, como las
marcas del mar en una playa de arena. Luego hablaremos en mayor detalle
sobre estas “marcas de playa”.
Figura 2.10 (a) Fractura de tipo dúctil
52
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Figura 2.10 (b) Fractura en dirección del espesor
EJEMPLO 2.A Identificación de origen de falla
La Figura 2.A1 muestra la carcasa de una bomba centrífuga proveniente de una
estación bombeadora de hidrocarburos líquidos. La fractura circunferencial fue
propagada por efecto de la presión interna. Las flechas indican la forma en que
la fisura propagó, según surgió del análisis fractográfico. En este caso se ha
dado una situación infrecuente: la propagación de la fractura fue tal que se abrió
una ventana. La rotura final de la ventana ocurrió por flexión, la zona que hizo
de “bisagra” está resaltada (elipse en la figura).
Figura 2.A1 Carcasa de Bomba Centrífuga
53
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 2.A2 Chevrones en la Zona de Fractura
La Figura 2.A2 muestra los “chevrones” en la zona de la fractura que se
muestra en la parte superior de la Figura 2.A1. Se muestran ambas superficies
de la misma fractura. A partir del análisis de los chevrones en la Figura 2.A1 fue
posible la reconstrucción de la falla ocurrida en el cuerpo de la bomba, y la
definición de su origen (círculo en la parte central de la Figura). Nótese que las
puntas de los chevrones no se ubican en la zona media del espesor, sino en el
tercio
mása cercano
a la superficie
interna
de la carcasa.
Esta asimetría
está
asociada
la componente
de flexión
generada
por la fuerza
hacia afuera
producida por la presión del fluido actuando contra la superficie interna de la
“ventana”.
2.4.2 Sitio de iniciación de una fractura
Toda fractura instantánea que da lugar a una falla inicia en un sitio determinado
al que llamaremos lugar de inicio de la falla. Hemos visto que la parte más
importante del esfuerzo durante la etapa de análisis preliminar de una falla está
referido a detectar dicho inicio.
inicio. Este sitio está definido por
por uno o varios de los
los
siguientes factores, que serán tratados en detalle en otras secciones de este libro:
•
•
54
Concentración de esfuerzos
Mayor debilidad del material
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
•
Defectos previos (de fabricación o crecidos durante en momento
durante el servicio previo).
Es frecuente además que el sitio de propagación de la fractura final sea a su vez
el resultado de un mecanismo de daño que fue desarrollándose durante el
servicio. En este caso, hablamos de tres
t res instancias en la superficie de fractura:
•
•
•
Iniciación del daño previo
Propagación del daño previo
Falla final.
La Figura 2.11 muestra un ejemplo de la iniciación de una fisura o grieta a partir
de un concentrador de tensiones, debido a cargas cíclicas durante el servicio, lo
que se denomina fatiga (de la que también hablaremos luego en mayor detalle).
Se trata de un cordón de soldadura, cuya sobremonta se observa en la parte
inferior de la figura. A partir de algún defecto en el material de los dos cordones
de soldadura identificados como A y B propagaron sendas fisuras. Sus
direcciones de avance se indican por las flechas negras. Cuando las mismas
alcanzaron un cierto tamaño, se unieron (calecieron), y continuaron
propagando. La línea de puntos indica la forma que tenían los vértices de ambas
fisuras al momento de unirse, la línea de guiones indica el momento en que la
fisura inicial se inestabilizó y provocó la fractura final, cuya dirección de avance
se indica por las flechas blancas.
Figura 2.11 Iniciación de fisura a partir de un concentrador de tensiones
¿Cuáles son las pistas que nos indican la iniciación y propagación previa en
servicio? Muchas de ellas están en la superficie de fractura. En primer lugar, la
propagación subcrítica o lenta en servicio suele generar una superficie de
fractura menos rugosa que la propagación rápida. Como esta propagación
ocurre durante un cierto tiempo, es frecuente que las condiciones de operación
cambien, y con ello la velocidad de la propagación del defecto. Esta diferencia
de velocidad redunda en variaciones en el aspecto de la superficie de fractura.
Los límites entre superficies de distinto aspecto permiten definir la forma que
55
Análisis de fallas – Fundamentos
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aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
tenían las fisuras en ese momento. Estos límites son los que hemos llamado
marcas de playa y son muchas veces detectables durante la inspección ocular.
A su vez, si la propagación en servicio ocurre a partir de varios sitios de
iniciación, las fisuras inician en planos diferentes, hasta que eventualmente se
juntan. Esto deja entre ellas
ellas unas marcas en forma de cu
cuña
ña (ratchet marks). El
análisis
de lasde
marcas
de playa y las marcas en cuña permite identificar los sitios
de
iniciación
la fisura.
Como ejemplo, la Figura 2.12 muestra una fisura crecida por fatiga a partir de la
superficie de la pieza vista en la parte superior de la figura. Las marcas de playa
son claramente visibles aún cuando las fisuras son muy pequeñas. Las marcas
de cuña, en dirección vertical, se indican con flechas blancas.
cuña
Figura 2.12 Fisura crecida por fatiga
En la Figura 2.13 se muestra otra fisura crecida por fatiga, también a partir de la
superficie de la pieza vista en la parte superior de la figura. Las marcas de playa
son visibles en casi toda la superficie de fractura que se muestra. Cuando la
fisura era mayor que la marca oscura, se produjo una aceleración de la
propagación, probablemente debido a aumentos de la carga. Las marcas de
playa se hacen menos claras, y aparecen otras marcas, paralelas entre sí, y en
dirección vertical en la figura. Son las llamadas marcas de río (river pattern) y
aparecen también en fracturas instantáneas. Se producen por saltos en los
planos cristalográficos (hablaremos también de ellas en otro momento) e
indican la dirección de avance de la fractura.
56
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Figura 2.13
EJEMPLO 2.B Detección de daño previo en servicio
En el ejemplo de la Figura 2.B1 se observa la fractura instantánea de una camisa
de cilindro de un compresor de pistón de una planta petroquímica. La Figura
2.B1a muestra la característica propagación frágil con marcas de chevron y
shear lips. Los chevron indican iniciación en la parte izquierda de la figura,
donde se resalta la ubicación de un agujero roscado, que es alojamiento de uno
de los bulones utilizados para la extracción y el posicionamiento del cilindro
durante los mantenimientos.
La Figura 2.B1b muestra en esa zona una superficie menos rugosa, típica de un
mecanismo de propagación estable o subcrítica, que ocurrió durante un cierto
período de servicio. El análisis de las marcas de playa y las marcas en cuña
permitió identificar el sitio de iniciación de la fisura, en el fondo del segundo
filete del agujero roscado, Figura 2.B1c.
Un análisis a mayor magnificación permitió observar signos de deformaciones
plásticas dentro de los filetes. Aparentemente, durante las actividades de
mantenimiento en la última parada de planta se utilizó un bulón que no
correspondía exactamente con la geometría de la rosca. Como resultado se
generó una interferencia
interferencia entre los filetes y daños por plastificación en el filete
del agujero. Muchos meses después, los esfuerzos cíclicos del compresor
terminaron por hacer propagar una fisura por fatiga, que creció en forma de
cuarto de círculo. Cuando el tamaño de esta fisura fue del orden de la
profundidad del agujero, se alcanzó la condición de criticidad: la fisura se hizo
inestable y se propagó en forma instantánea o catastrófica, provocando la falla
del componente.
57
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 2.B1 (a) Propagación frágil con marcas de chevron y shear lips
(b) Superficie menos rugosa (c) Sitio de iniciación de la fisura
2.4.3 Fallas en vástagos roscados y elementos rotantes
Por su gran participación en la ocurrencia de fallas de componentes mecánicos,
le prestaremos cierta atención al análisis visual de elementos roscados (tornillos,
bulones, tuercas) y rotantes (árboles y ejes).
La principal función de un tornillo es transferir la carga. Los hay de muchos
tipos. La elección es dependiente de los requisitos de diseño y el medio
ambiente en el que se utilizará el sujetador.
s ujetador. Los elementos roscados sufren fallas
frecuentemente debido a que el filete roscado genera un concentrador de
esfuerzos en la raíz del mismo. Pequeños errores de mecanizado, defectos
superficiales producidos por corrosión o por daño mecánico (como vimos ya
en nuestro ejemplo) son suficientes para iniciar fallas que frecuentemente
propagan por fatiga.
Además, daños superficiales por roce (Fretting) pueden ser el resultado de
pequeños movimientos entre las superficies adyacentes. Corrosión atmosférica,
corrosión galvánica y crevice, corrosión bajo tensiones y fragilización por
hidrógeno son frecuentes contribuyentes a la falla de estos elementos. De ellas
hablaremos en otros capítulos.
58
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Un aspecto que no es menor en el caso de fallas que involucran a tornillos y
tuercas es recuperar las piezas. Muchas veces sus restos están dispersos, y se
hace dificultoso luego definir en qué lugar del componente se ubicaba cada
pieza recuperada. Es común que un componente fallado involucre una gran
cantidad de uniones roscadas. Es importante identificar aquellos tornillos que
provocaron la falla y separarlos de aquellos que pueden haber fallado por
sobrecarga.fallados
Es decir,
los elementos
causantes de la falla de los
elementos
comoseparar
consecuencia
de la misma.
Las especificaciones ASTM y SAE referidas a sujetadores roscados exigen que
los cabezales estén marcados para la identificación de grado. Estas marcas
permiten verificar mediante inspección rápida la adecuada selección de los
sujetadores. Una confirmación visual del grado y su verificación con
especificación es el puntapié inicial para la investigación.
investigación. Luego se deberán
deberán
identificar las zonas en la superficie de fractura relacionadas con los modos de
iniciación y propagación, de manera similar a lo ya desarrollado. En una falla
típica de un tornillo
t ornillo encontraremos
encontraremos (Figura 2.14):
A: una zona de iniciación de apariencia opaca y plana, sin estriaciones
visibles
B:
otra zona de aspecto más fibroso con ribetes en la dirección de
propagación de la fractura (river marks)
C: un estrecho cono de corte (shear lip) correspondiente a la fractura
dúctil final por sobrecarga
󰁃
󰁃
󰁂
󰁂
󰁁
󰁁
Figura 2.14 Falla típica de un tornillo
Un ejemplo de un vástago roscado cuya falla se produjo por fatiga se observa
en la Figura 2.15. Aquí casi el 100% de la superficie de fractura corresponde a
crecimiento subcrítico. En el inserto se observa con cierto detalle la iniciación
de las fisuras, en el fondo del filete roscado.
59
Análisis de fallas – Fundamentos
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Por el contrario, la falla de un tornillo por sobrecarga estará indicada por un
100% de superficie de fractura correspondiente a desgarro dúctil. También en
estos casos es posible diferenciar algunas características referidas a la carga que
produjo la rotura, y es posible identificar signos de rotura por tracción, corte
(cizallamiento) o tracción.
La relación
entredeladesgarro
superficie
de se
propagación
(típicamente
por
fatiga)
y la zona
dúctil
vincula conenla servicio
relación entre
la amplitud
de carga cíclica en servicio y la carga máxima alcanzada. En elementos roscados
de muy alta resistencia y baja ductilidad, la falla final puede devenir como
fractura frágil con indicaciones de river marks, como se muestra en el ejemplo
de la Figura 2.16. En la parte superior de la figura se aprecian dos sitios de
iniciación (A y B), separados por una marca de cuña. La línea negra marca el
beach mark al momento de la rotura final. Nótese que esta marca coincide con
el extremo de la marca de cuña. Esto indica que la fisura se inestabilizó en el
momento en que las dos fisuras por fatiga calecieron, lo que es consistente con
las teorías de criticidad de fisuras de la Mecánica de Fractura (ver Capítulo 6).
Figura 2.15 Vástago roscado con falla producida por fatiga
60
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Figura 2.16 Sitios de iniciación separados por una marca de cuña
Los ejes funcionan en condiciones de una amplia gama de servicios, incluidos
los ambientes corrosivos, a muy altas o muy bajas temperaturas. Los ejes
pueden experimentar una serie de condiciones de carga. En general: tensión,
compresión, flexión, torsión o una combinación de estas condiciones de carga.
Además, pueden experimentar
experimentar esfuerzo vibratorio.
Las causas más comunes
comunes de fallas son:
•
•
•
Desgaste abrasivo: ddesplazamiento de material de una superficie
sólida, debido a partículas duras o protuberancias en la superficie de
deslizamiento. Puede reducir el tamaño y destruir la forma de un eje.
Ejemplos de desgaste abrasivo: arena, suciedad, partículas metálicas y
otros desechos en el lubricante.
Fatiga: ccomúnmente comienzan con una concentración de tensiones.
Otras formas de fractura también se producen en la concentración de
tensiones. Algunos rasgos típicos de estos elementos que actúan como
concentradores de tensiones son esquinas, chaveteros, canaletas,
formas forjadas,
forjadas, defectos de soldadura,
soldadura, muescas,
muescas, grietas, corrosión
localizada, huelgos, arqueados.
Desalineación: puede ser introducida después de una reparación
Puede causar vibraciones resultando en un fracaso de la fatiga del eje.
Cada
causacomo
de falla
estásuperficies
asociada afractográficas.
ciertas características,
tanto muestra
en la ubicación
de
la falla
de sus
La Figura2.17
algunas
61
Análisis de fallas – Fundamentos
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características asociadas a la forma de las beach marks y la relación entre las
áreas de propagación subcrítica y fractura final.
f inal.
Figura 2.17
EJEMPLO 2.C Falla de estructura abulonada
En este ejemplo analizamos la falla de una grúa de uso en actividades
portuarias, que falló por la rotura de sus bulones de anclaje a la base. El interés
del comitente está orientado a la determinación de las causas que originaron el
siniestro, si éste obedece a desgaste o deterioro gradual como consecuencia del
uso, de sobrecargas debidas a condiciones operativas, a deficiencias
constructivas o de los materiales, o deficiencias del montaje.
La Figura 2.C1 muestra la grúa giratoria, montada sobre una base. El
desprendimiento se produjo en la zona resaltada a la altura de la unión
abulonada que permite la rotación de la estructura sobre la base. Con dicha
información preliminar y los elementos fallados recogidos en campo,
independientemente de los cálculos y análisis del material, fue posible obtener
algunas conclusiones importantes respecto de la causa de la caída de la grúa.
62
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Figura 2.C1 Grúa giratoria
En cargadores y grúas que van montadas sobre una base a rodamiento, los tipos
de falla más comunes son fallas de los pernos y fallas por desgaste de
rodamientos y pista. La corona está compuesta por dos hileras de 44 bulones
cada una, Figura 2.C2. En este caso, la caída de la pluma de carga se debió a la
falla de los bulones que fijan la pista interna del rodamiento de giro a la parte
superior. Estos bulones constituyen la única unión entre todo el brazo cargador
rotativo y el resto de la base.
󰁈󰁩󰁬󰁥󰁲󰁡 󰁤󰁥 󰁢󰁵󰁬󰁯󰁮󰁥󰁳 󰁩󰁮󰁴󰁥󰁲󰁮󰁡
(󰁭󰃳󰁶󰁩󰁬)
󰁈󰁩󰁬󰁥󰁲󰁡 󰁤󰁥 󰁢󰁵󰁬󰁯󰁮󰁥󰁳 󰁥󰁸󰁴󰁥󰁲󰁮󰁡
(󰁦󰁩󰁪󰁡)
Figura 2.C2 Composición de la corona
63
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Se encontraron bulones cortados a nivel de los filetes de rosca debido a
sobrecarga de tracción (Figura 2.C3) asociada a la última instancia catastrófica
del evento en el cual la pluma cae primero hacia adelante y luego de unos
minutos lo hace hacia uno de los laterales hasta su posición final.
Figura 2.C3 Bulones cortados a nivel de los filetes de rosca
Otros bulones presentaron
presentaron filetes de rosca barrida,
barrida, tanto del bulón como
como de las
tuercas, Figura 2.C4. Esta falla puede ser de naturalez
naturalezaa progresiva y no es
evidente el daño acumulado hasta la falla de la totalidad del sistema de fijación.
Se rebanaron los hilos de la tuerca en su raíz, pues el material del perno es más
resistente que el material de la tuerca. Es normal que la dureza y la resistencia
del material de una tuerca sea menor que la del perno, para redistribuir las
tensiones en los filetes.
Figura 2.C4
También se encontraron bulones con evidentes signos de fatiga, asociada a una
deficiencia en la precarga de los bulones (Figura 2.C5). Se indican los sitios de
64
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
iniciación de micro fisuras en el fondo del filete (flechas negras) y la
propagación por fatiga (flechas blancas) hasta el momento de la falla final.
Estos bulones se localizaron en la zona de la corona diametralmente opuesta a
la dirección de la pluma y pudieron ser los primeros en fallar, incrementando la
carga sobre el resto del sistema de fijación. Por falta de acceso de la herramienta
adecuada,mediante
la verificación
del torque
aplicado
losimpidió
bulonesaplicar
de la pista
internacon
se
realizaba
una llave
de impacto,
lo aque
el torque
precisión.
Figura 2.C5 Bulones con evidentes signos de fatiga
Figura 2.C6 Excesivo desgaste en las pistas de rodadura
65
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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La Figura 2.C7 muestra un esquema de los daños en los bulones alrededor de la
corona, vista desde abajo. La distribución de los daños permite identificar
claramente cuáles han sido los bulones cuya rotura fue causa de la falla, y cuales
se han roto durante el colapso de la estructura.
󰁄󰁩󰁲󰁥󰁣󰁣󰁩󰃳󰁮
󰁄󰁩󰁲󰁥󰁣󰁣
󰁩󰃳󰁮 󰁤󰁥 󰁬󰁡 󰁰󰁬󰁵󰁭󰁡
󰁌󰁡󰁤󰁯 󰁒󰃭󰁯
2
5
43
󰁔󰁲󰁡󰁣󰁣󰁩󰁯󰁮󰁡󰁤󰁯
38
󰁎󰁯 󰁳󰁥 󰁨󰁡󰁬󰁬󰃳
󰁓󰁯󰁢󰁲󰁥󰁣󰁡󰁲󰁧󰁡 󰁤󰁥 󰁴󰁲󰁡󰁣󰁣󰁩󰃳󰁮
12
󰁆󰁲󰁡󰁣󰁴󰁵󰁲󰁡󰁤󰁯
󰁆󰁡󰁬󰁬󰁡 󰁤󰁥 󰁦󰁩󰁬󰁥󰁴󰁥󰁳
󰁦󰁩󰁬󰁥󰁴󰁥󰁳 󰁥󰁮 󰁬󰁡 󰁴󰁵󰁥󰁲󰁣󰁡
󰁆󰁡󰁴󰁩 󰁡󰁤󰁯
28
20
󰁌󰁡󰁤󰁯 󰁎󰁡󰁶󰁥
Figura 2.C7 Esquema de los daños en los bulones
El requerimiento de controlar el juego de la corona estaba en la documentación
de mantenimiento para este equipo, pero a través de dos referencias indirectas y
sin la importancia que dicho control tiene. Actualmente esta verificación se
exige con una frecuencia semestral para la certificación de equipos offshore y,
en el futuro, este criterio debería aplicarse a este equipo.
2.5 Extracción y conservación
conservación de muestras
La recolección de evidencia debe realizarse en forma independiente mientras se
realizan las reparaciones para reinstaurar el servicio, sin afectar estas
reparaciones. Idealmente, se debe contar con un protocolo de trabajo en
condiciones que son siempre de apuro, y nunca iguales a las anteriores. Un
protocolo permitirá evitar errores metodológicos que podrían perjudicar el
resultado del análisis posterior. A continuación algunos aspectos a tener en
cuenta:
66
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Previo a remover las piezas




Recolectar la evidencia en la zona que puedan haber contribuido a la
falla: estado de revestimientos, identificación de componentes,
soldaduras, presencia de cuerpos extraños, etc.
Evidenciar la posición de la falla y los distintos
distintos componentes
componentes con
respectoy/o
a referencias
(videos
fotografías)físicas (con escalas), mediante registros gráficos
Realizar las marcas pertinentes para identificar la posición en que se
encontraba cada pieza una vez removida
Registrar fotográficamente las marcas realizadas.
Remoción y disposición de las piezas
Evitar la degradación de la muestra durante el corte, por ejemplo por
sobrecalentamiento de la zona de falla cuando se corta con mola o
procesos de corte térmico (plasma, oxiacetilénica, etc.). Efectuar los
cortes a una distancia mínima adecuada de la zona de falla y retirar
muestras tanto de la zona de falla como del material en zonas no
falladas,

Realizar el corte en frío. Si la distancia disponible para el corte no es
suficiente o resultara peligroso realizar el corte con soplete, utilizar
amoladora y refrigerante (puede ser agua) para evitar que la zona a
analizar eleve la temperatura.

Realizar el traslado de las muestras de manera tal que la superficie de
falla o fractura no se vea sometida a su
s u propio peso.

Durante el traslado de piezas grandes se hará uso preferentemente de
eslingas de nylon evitando en todo momento el uso de cabos de acero
que puedan accidentalmente apoyarse en la superficie de fractura y
deformarla.
Conservación de la muestra





No limpiar las muestras por ningún medio mecánico o manual, para
evitar que se borren evidencias relevantes tales como corrosión y
fisuras superficiales, entre otros.
Si la pieza se encuentra con agua o con cierto nivel de humedad, rociar
un chorro de alcohol o kerosene a la superficie de fractura para
desplazar el agua y luego secar la zona con aire.
Impermeabilizar el área de fractura con laca o barniz transparente en
aerosol preferentemente, aplicar grasa lubricante en caso de no tener
laca o barniz. Cubrir la superficie de fractura con cartón corrugado,
papel o poliestireno expandido con el objetivo de no dañar la pieza al
momento de transporte.
Almacenar las muestras en un lugar adecuado, el cual no modifique las
características de la falla.
67
Análisis de fallas – Fundamentos
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
Si las superficies de falla se encuentran separadas, NO juntarlas
buscando armar nuevamente la pieza. Esto generara daños mecánicos
por aplastamiento a nivel microestructural, y se perderá información
muy valiosa.
2.6 Inspección mediante técnicas de Ensayos No Destructivos
Los Ensayos No Destructivos son aquellos ensayos que permiten realizar una
evaluación del equipo o componente sin comprometer su integridad. Esto
significa que no provoca daños ni perjudica o interfiere con el uso futuro de las
piezas inspeccionadas.
Los métodos de Ensayos No Destructivos (END) se basan en la aplicación de
fenómenos físicos tales como ondas electromagnéticas, ultrasónicas, acústicas,
elásticas, emisión de partículas subatómicas, capilaridad,
capilaridad, absorción, etc. Existen
una variedad de ensayos no destructivos, cada uno con sus ventajas y
desventajas, que difirieren en los principios de funcionamiento y en el tipo de
aplicación.
La amplia aplicación de los métodos de ensayos no destructivos en materiales
se encuentra resumida en los siguientes tres grupos:
•
•
•
Defectología: nos permite la detección de discontinuidades, evaluación de
la corrosión y deterioro causado por agentes ambientales; determinación de
tensiones; detección de fugas.
Caracterización: evaluación de las características químicas, estructurales,
mecánicas y tecnológicas de los materiales; propiedades físicas (elásticas,
eléctricas y electromagnéticas); transferencias de calor y trazado de
isotermas.
Metrología: control de espesores; medidas de espesores por un solo lado,
medidas de espesores de recubrimiento; niveles de llenado.
Tan importante
como la realización
ENDapuntar
es la las
generación
de del
los
registros
correspondientes,
en los cualesdeseundeben
condiciones
ensayo, los datos referentes a la geometría y propiedades de los componentes
en estudio, y un registro apropiado de las características de las discontinuidades
detectadas.
Una indicación es una señal producida por una alteración detectada a través
del método de ensayo no destructivo. En este sentido, las indicaciones pueden
ser falsas, relevantes o no relevantes. Una discontinuidad puede ser definida
como la falta de homogeneidad o interrupción en la estructura física normal de
un material, o una falta o deficiencia en la configuración normal de una pieza,
parte o componente. Las discontinuidades pueden ser clasificadas de acuerdo
con:
•
•
68
su ubicación: superficiales, subsuperficiales e internas,
su origen: inherente a la fabricación, al proceso, en servicio, etc.,
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
•
su morfología: planares y volumétricas.
Cuando se utilizan los END como técnicas de aseguramiento de integridad en
las etapas de fabricación o inspección en servicio, las discontinuidades pueden
ser relevantes ó no relevantes. Se considera defecto a toda discontinuidad ó
indicación que por su tamaño, forma ó localización ha excedido los límites de
aceptación establecidos por el Código, Norma o Especificación aplicable.
El uso de técnicas de END para la evaluación preliminar de una falla adquiere
importancia cuando se buscan evidencias de daños en otras partes de los
componentes, además de las zonas fracturadas. La detección de estos Defectos
secundarios suele ser de mucha utilidad. Raramente una falla obedece a un
defecto iniciador único y solitario. Muchas veces el que termina provocando la
falla es el más crítico de una serie de defectos o discontinuidades de origen
similar. Pero los defectos que no propagaron son raramente detectables
mediante inspección visual. En caso de que se sospeche de su existencia, se
requiere aplicar técnicas de evaluación con la suficiente sensibilidad como para
encontrarlos y evaluarlos, o poder descartar su existencia.
El
método ydeocasionalmente
Partículas Magnetizables
(PM)
detectaa la
discontinuidades
superficiales
subsuperficiales
(cercanas
superficie) en
materiales ferromagnéticos. Cuando se colocan los polos de un imán sobre la
superficie a evaluar se forman líneas de flujo generadas por el campo magnético
entre el polo norte y el sur. Estas líneas de fuerza son alteradas por la presencia
de discontinuidades, produciendo una fuga del campo magnético. Si se aplican
Partículas Magnetizables, estas se orientarán según las líneas de flujo y darán
una indicación de la discontinuidad. Los defectos típicos encontrados son
fisuras por fatiga y fisuras por corrosión bajo tensiones (SCC).
El ensayo de Partículas Magnetizables puede ser realizado por vía seca ó por vía
húmeda. En el último caso, las partículas se aplican en suspensión en un medio
líquido (agua ó kerosene). Asimismo, el ensayo por vía húmeda puede ser
realizado con Partículas Visibles ó Fluorescentes.
Con partículas visibles, el ensayo se efectúa con luz blanca con una intensidad
mínima de 500 lux para asegurar la sensibilidad adecuada durante la evaluación
de indicaciones. Con partículas fluorescentes el ensayo se realiza con luz
ultravioleta (para excitar su luminosidad) procedente de lámparas de arco de
mercurio. En este caso es necesario oscurecer el área de trabajo y efectuar la
medición de la luz que será como máximo de 1000 µW.
Para definir si un defecto origen de una falla se repite en otros lados del
componente, es común la verificación por ultrasonido del resto de la pieza.
Esto es particularmente común en soldaduras. La Figura 2.18 muestra la
posición del yugo magnetizante para detectar fisuras paralelas al cordón.
69
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 2.18 Yugo magnetizante
La Figura 2.19 muestra un ejemplo de aplicación de la técnica de partículas
magnetizables, para la verificación del origen por corrosión bajo tensiones
(SCC)
de la
de undegasoducto
enterrado.
El SCCexterna
está caracterizado
por se
la
iniciación
defalla
colonias
microfisuras
en la superficie
del tubo (como
muestra en la parte media de la figura). La propagación y coalescencia de
algunas de estas fisuras puede provocar la fractura longitudinal (reventón) del
tubo (parte superior de la figura), o en raros casos una fuga (parte inferior de la
figura). Es poco probable obtener en campo una magnificación suficiente para
detectar las colonias de fisuras en forma visual, sobre todo cuando deben
abarcar grandes extensiones de la superficie del componente. Para ello se
recurre a las técnicas de PM.
Figura 2.19 Partículas magnetizables revelan fisuras superficiales (Centro)
70
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
La Figura 2.20 muestra una colonia de este tipo,
t ipo, revelada mediante la técnica de
PM negro sobre blanco.
Figura 2.20 Colonias de fisuras
El ensayo de líquidos penetrantes revela discontinuidades superficiales por la
absorción de un líquido penetrante sobre un medio contrastante en materiales
no porosos, ferrosos y no ferrosos. Está normalizado por ASTM E-165que
clasifica los líquidos penetrantes en fluorescentes (visibles a la luz ultravioleta) y
colorantes (visibles a la luz natural) además de clasificarse por el método de
remoción utilizado.
El principio es muy simple. En primera instancia se dispersa un líquido con
características especiales sobre la superficie limpia del material y se permite que
el mismo penetre en las discontinuidades. Luego se remueve el líquido dejando
la superficie seca. En el caso de presencia de fisura, parte del líquido quedará
retenido dentro de la misma. Finalmente se aplica un revelador el cual se
absorbe y se humedece por el líquido alojado en la fisura que indica su
presencia.
La Figura 2.21 muestra un ejemplo de aplicación de la técnica de tintas
penetrantes para la detección del origen de la falla de un vástago roscado
(espárrago). En la Figura se observa el alojamiento roscado del vástago en el
cuerpo de la carcasa de un compresor alternativo. Solo mediante esta técnica las
fisuras se hacen aparentes, mostrando un proceso de desgarro en capas
paralelas a la superficie del asiento, indicativo de altas
altas cargas de tracción, esto
71
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
es, sobrecarga estática en la unión roscada. Nótese que en este caso, aún cuando
el material es ferromagnético, no existe forma de magnetizar la pieza en el
sentido del espesor.
Figura 2.21 Aplicación de la técnica de tintas penetrantes
Si bien el método es rápido y de bajo costo, sólo detecta defectos superficiales,
posee una menor resolución que las Partículas Magnetizables y puede conducir
a interpretaciones incorrectas si no se aplica correctamente.
El ensayo de Ultrasonido puede clasificarse en dos: Medición de Espesores y
Detección de Fallas. El método de inspección por ultrasonido consiste en
enviar ondas ultrasónicas a través del material con la ayuda de un material
acoplante. El sonido viaja a través del material perdiendo parte de su energía y
es
reflejadoy en
cada
interfaz. Las ondas reflejadas son captadas por un palpador
(receptor)
luego
analizadas.
En el caso de la Medición de Espesores, conocida la velocidad del sonido
s onido del
medio, el equipo analiza el tiempo que tardó la señal en ser emitida por el
equipo, reflejada por la pared del componente y captada por el palpador, para
realizar el cálculo correspondiente.
correspondiente.
En el caso de la Detección de Fallas, el método utiliza el mismo principio de
forma de detectar la presencia de discontinuidades en el interior del material. La
gran diferencia de este equipo es que mide la intensidad acústica emitida y
recibida. Con estos datos se puede comparar una reflectividad conocida,
indicando una idea del tamaño del defecto. Los defectos que pueden
identificarse y medirse incluyen laminaciones, fisuras, poros, inclusiones, falta
de penetración, falta de fusión, etc.
72
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
El ensayo ultrasónico debe realizarse de acuerdo con un procedimiento escrito.
Cada procedimiento debe incluir, por lo menos, la información referida a la
soldadura y/o tipos materiales a ser ensayados, las dimensiones de espesor, la
preparación de la superficie y la limpieza final. Asimismo, se deben incorporar
los datos referidos a los equipamientos utilizados como el acoplante, el
palpador (recto o angular), los ángulos y modos de propagación de la onda en el
material, frecuencia,
y tamaño
del transductor,
tipo deldelinstrumento
ultrasónico,
la descripción
de calibración,
direcciones el
y magnitud
ensayo, los
datos a ser registrados y método de registro (manual o automático) y el
mecanismo de ensayo.
Figura 2.22 Ensayo de Ultrasonido con palpador angular
La Figura 2.22 muestra como ejemplo el uso del Ensayo de Ultrasonido con
palpador angular para la detección de defectos secundarios en una soldadura
circunferencial de un tubo de gran diámetro. Un aspecto fundamental del
ensayo es el chequeo y calibración de los equipos. Se deberá verificar el
funcionamiento apropiado del equipo de ensayo y se deberán calibrar al
principio, al final de cada ensayo, cuando el examinador del ensayo cambie y en
cualquier otro momento que se sospeche de un mal funcionamiento. A
continuación se citan algunas de las ventajas del método:
•
La alta sensibilidad del método hace posible detectar discontinuidades
pequeñas.
•
Sólo se requiere acceso a una de las superficies del material.
73
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
Excelente resolución inmediata para determinar tamaño y ubicación del
defecto.
No requiere elementos de seguridad personal especiales.
En contrapartida, se requiere una alta capacitación para su planificación y
operación, y la aplicación de un medio para acoplarlo al material (las piezas o
partes
rugosas,soncon
pequeñas,
muy
inhomogéneas
muyformas
difícilescomplicadas,
de inspeccionar).
Además,
los delgadas
registros seo
interpretan solamente por personal idóneo.
El ensayo de Fugas ó Corrientes Parásitas es un END electromagnético en el
que se inducen pequeñas corrientes en el material y se registra cualquier cambio
en el flujo de esas corrientes debido a inhomogeneidades en el material. El
principio básico de funcionamiento es hacer pasar una corriente alterna a través
de una bobina ubicada en las proximidades de la pieza a analizar. El campo
magnético alternativo creado genera la circulación de pequeñas corrientes
parásitas en la pieza, las cuales a su vez generan su propio campo magnético
que interactúa con el de la bobina. Ésa u otra bobina captan las alteraciones
producidas por discontinuidades
discontinuidades a través
t ravés de un circuito eléctrico.
La interpretación se basa principalmente en el análisis de las modificaciones de
amplitud y fase de las tensiones que se desarrollan en la bobina de detección
por influencia de variaciones en los parámetros de interés de la pieza que se
ensaya. La evaluación de las indicaciones se hace en base a las comparaciones
con probetas de calibración, especialmente preparadas para cada caso particular
de ensayo, según normas y procedimientos establecidos.
Es un ensayo muy versátil y muy útil en tuberías. Además identifica
rápidamente los defectos y su ubicación generando mucha información, aunque
a veces es difícil diferenciar lo importante. Como desventaja se puede
mencionar que requiere alta especialización en la interpretación de los
resultados. En materiales ferromagnéticos se crea un campo magnético propio
que puede enmascarar algunos de los resultados.
Otros métodos de END muy utilizados en fabricación e inspección no son
aplicables a la inspección preliminar de fallas. Tal es el caso de la radiografía
Industrial, que utiliza radiación para
para penetrar el material y revelar
revelar información.
El END de Emisión Acústica(EA)genera ondas elásticas transitorias por la
liberación rápida de energía a partir de fuentes localizadas, tales como la
deformación plástica o propagación de fisuras. Las ondas elásticas se mueven a
través del sólido hacia la superficie, donde son detectadas por sensores. De este
modo se obtiene la información acerca de la existencia y ubicación de posibles
fuentes. Pero el ensayo debe realizarse con el equipo en servicio, variando las
condiciones de operación. Luego de una falla, lo normal es que el equipo o
componente quede fuera de servicio.
74
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
El ensayo de Réplicas Metalográficas consiste en copiar la microestructura de
un material (metales, cerámicos, etc.) sin destruir la pieza a examinar. Luego
esta “copia” puede observarse en un microscopio. Es muy útil cuando se sabe
que no será posible extraer una muestra para examinar en laboratorio. El
principal instrumento para la realización de un análisis metalográfico es el
microscopio metalográfico, con el cual es posible examinar una muestra con
aumentos
queavarían
X50 y X200.Además
del microscopio,
microscopi
se necesita
un
kit para pulir
espejoentre
la superficie
a analizar y pueden
utilizarseo,varios
métodos
y elementos para revelar la microestructura y copiarla. La información que
puede suministrar un examen metalográfico es variada: degradación
microestructural, calidad del material, diferentes fases y determinación de tipos
de aleaciones.
La dureza es una medida de resistencia a la indentación y al desgaste por
fricción o rozamiento. Hay diversas formas de medir la dureza. La mayoría
consiste en utilizar un pequeño indentador, dispositivo que trata de penetrar el
material y que puede ser un pequeño balín o una aguja. Dependiendo del tipo
de punta empleada y del rango de cargas aplicadas, existen diferentes escalas,
adecuadas para distintos rangos de dureza: Dureza Brinell (HB), Rockwell
(HRC
- HRB), de
Rockwell
Superficial,
Webster
y Vickers
(HV).enEllainterés
de la
determinación
la dureza
de los aceros
al carbono
estriba
correlación
existente entre la dureza y la resistencia mecánica, por lo cual en casos de
imposibilidad de sacar el equipo fuera de servicio para practicar Ensayos
Destructivos de Tracción, el ensayo de dureza resulta muy conveniente. Una
variante perfeccionada es el método de indentación instrumentada, del que
hablaremos más adelante.
2.7 Organización de los equipos de trabajo
Las áreas de la empresa involucradas en una falla son las mismas tres áreas que
comparten las responsabilidades técnicas: Ingeniería, Mantenimiento y
Operaciones. Pueden tener otros nombres, pero los roles son bien definidos.
Operaciones (producción, etc.) es el corazón de la empresa, el área que le da
sentido a la organización, es el “cliente” de las otras áreas. El área de Ingeniería
(también llamada Obras, etc.) es la responsable del diseño y construcción de la
infraestructura. El área de Mantenimiento (también llamada Integridad, etc.) es
la responsable del normal funcionamiento de esa infraestructura. Es común
también que empresas externas, contratadas por períodos más o menos largos o
para eventos o equipos puntuales, estén involucradas en estas tres operaciones.
También estarán involucrados
involucrados los asesores externos (“expertos”) y las empresas
contratistas que se encuentren involucradas en el proceso de relevamiento de
información y de análisis de falla. En muchos casos, la gerencia de Integridad
está incluida dentro de la Gerencia de Ingeniería, otras veces, la gerencia de
75
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Integridad es independiente o está incluida dentro de la Gerencia de
Mantenimiento.
Durante la operación normal de una planta, las tres “gerencias” mencionadas (la
que construyó el equipo, la que lo usa y la que lo mantiene) suelen tener
relaciones complejas. En el caso de una falla, la relación entre estas gerencias
suele ser El
incluso
másdecompleja
cuando que
hayconviven
empresasen separadas
en
conflicto.
personal
las “variasque
empresas”
una empresa
suelen hacer causa común en contra de los responsables de las otras áreas. Para
decirlo en forma sencilla:
•
•
•
Para ingeniería y mantenimiento, la causa más probable de una
falla es un error de operación (aquí es común oír hablar de
exigir a los equipos por encima del 100%, para aumentar la
rentabilidad, o para subsanar pérdidas de producción por otras
causas.
Para operaciones y mantenimiento, la causa más probable es
un error en el diseño o defectos de construcción del
componente
Para ingeniería y operaciones, la causa más probable es un
error en el mantenimiento. Tal vez un descuido, un equipo mal
armado después de una inspección de rutina, etc.
Completan el panorama las compañías de seguros y las empresas ajustadoras o
liquidadoras. Los ajustadores son parte interesada en el resultado de un análisis
de falla, pues en algunos casos su resultado definirá quiénes se harán cargo de
los costos emergentes de la falla, y hasta qué montos.
Estas actitudes emocionales deberán estar desarticuladas y ser reemplazadas por
una actitud profesional y proactiva hacia el análisis de falla.
fa lla. Así como se definen
responsabilidades y roles ante emergencias como incendios, también es
recomendable definir (antes de la ocurrencia de una falla) las responsabilidades
que les competerá a las gerencias. Aquí, como ejemplo, las responsabilidades
definidas en una empresa de transporte de gas natural, ante un evento de fuga
de la línea y otra falla:
f alla:
Gerencia de Integridad
•
•
76
Comunicar a las Gerencias de Operaciones y Mantenimiento las
acciones a tomar en base al análisis de integridad preliminar de
la falla.
Disponer de los recursos necesarios ante la necesidad de
tercerizar los análisis de falla.
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
Jefe de Integridad
•
Coordinar según sea necesario con el área de mantenimiento y
de transporte para realizar actividades señaladas en este
documento que permitan obtener mayor información de la
ocurrencia del incidente.
•
Definir
el tipodedelosanálisis
y ensayos
a realizar,
así como también
al proveedor
servicios
de acuerdo
a la necesidad.
Supervisor de Integridad
•
•
•
•
•
Recopilar la información de las características mecánicas,
operativas, de monitoreos y/o inspecciones y de otra
información relevante que permita determinar el (los) posible(s)
mecanismo(s) de daño de manera preliminar. Elaborar un plano
con detalle de ubicación de la falla.
Elaborar un análisis de integridad preliminar.
Informar a los responsables de mantenimiento en campo los
criterios a tener en cuenta para realizar una adecuada
identificación, extracción, conservación y traslado de la(s)
muestra(s).
Realizar las coordinaciones y seguimiento del traslado de las
muestras desde la zona del evento hasta los almacenes o base
de mantenimiento.
Realizar un informe de análisis de integridad preliminar de
cierre del evento.
Gerencia de Operaciones
•
•
Coordinar con Integridad y Mantenimiento las actividades de
remoción de muestras.
Mantener una comunicación fluida y continua con el personal
de mantenimiento involucrado en la ejecución de las tareas.
Jefe de Mantenimiento
•
•
Coordinar con el área de Integridad y la Gerencia de
Transporte las actividades
actividades de remoción
remoción de la(s) muestra(s).
muestra(s).
Programar la ejecución de los relevamientos necesarios,
extracción y traslado de la(s) muestra(s) en función de la
recomendación de integridad.
77
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Responsable de Mantenimiento en el sitio
•
•
•
Disponer de los elementos necesarios para toma de la(s)
muestra(s), relevamiento fotográfico y demás instrumentos
mencionados en el presente.
Asegurar la preservación, identificación y traslado de la(s)
muestra(s)
a lalos
Base
de mantenimiento.
Confeccionar
registros
correspondientes a las actividades de
extracción y preservación de las muestras (incluyendo todo
aquel ensayo que sea necesario ejecutar en campo), asegurando
su envío en tiempo y forma al sector de Integridad.
En este esquema,
esquema, el Supervisor de Integridad tiene el rol central en la
la
organización del análisis de la falla. En otros pasajes de esta sección, esta
persona es definida como responsable en campo. Una vez completada la
actividad pericial preliminar, desarrollará un informe preliminar con el
detalle de lo relevado, planos de ubicación, condiciones operativas al
momento de la falla, relevamiento de condiciones anómalas externas y
demás datos de interés para entregar a la Gerencia dándole un panorama
previo del evento.
En esta empresa de transporte de gas, las responsabilidades del Supervisor
de Integridad se definen en un protocolo o procedimiento interno, aplicable
a toda la compañía:
•
•
•
•
•
•
•
•
78
Recolectar todo el historial de fallas en la zona, fallas del mismo
tipo, inspecciones en el lugar de la falla.
Recolectar informes adicionales si el caso lo requiere, tales
como: informes meteorológicos, informes de inundaciones,
sísmicos, etc.
Recolectar la información de la operación histórica de la línea y
específicamente del momento de haber ocurrido la falla.
f alla.
Entrevistar o solicitar que se realice la entrevista a los
operadores, pobladores cercanos y toda aquella persona que
pueda aportar datos sobre la falla.
f alla.
Recolectar información sobre la extracción de la(s) muestra(s) y
características de la zona de la falla, dependiendo de la falla
ocurrida. Es necesario saber en qué medio se ha desarrollado
y/o que características del medio ayudaron para que la misma
se propague.
Realizar un croquis del terreno y zona de falla.
Determinar preliminarmente qué tipo de falla ocasionó el
evento y asociará los mecanismos de daño determinados en el
informe de integridad preliminar.
Buscar
en la base
datos fallas
delcorrelación.
mismo tipo si las hubiese,
con el objetivo
de de
encontrar
alguna
Capítulo 2: Herramientas para el análisis preliminar de una falla mecánica
•
Interactuar con la empresa que realice el análisis de falla
coordinando y suministrando la información necesaria así como
con las distintas dependencias de la empresa.
El Jefe de Integridad, superior inmediato del supervisor, definirá la
necesidad y determinará qué tipos de análisis de falla deberán ser realizados.
Es
el responsable,
asimismo,
de definir el para
alcance
del análisis aexiste
realizar.
Según
el tipo de falla
y sus consecuencias
la organización,
un
abanico de posibilidades. Éstas se tratan en mayor detalle en capítulos
posteriores.
BIBLIOGRAFÍA
1. Matthews, Robert: Tumbling Toast, Murphy's Law and the
Fundamental Constants, European Journal of Physics. (en inglés) Vol.
16, Nr. 4, 1995, p. 172–176.
2. Gas Explosion Handbook Christian Michelsen Research (CMR)
programme "Gas Safety 1990-1992"
1990-1992" (GSP90-92).
3. Baker
et al. (1983):
Methods for Calculating the Effect of Explosions
from Damage
Indicators.
4. P. Fazzini, J.L Otegui, C. Manfredi: Field & Laboratory Study in
Detection and Prevention of SCC in Buried Pipelines. DUCTOS 2001,
Rio de Janeiro, Brasil, 2001.
5. J.L Otegui, E. Rubertis: Cañerías y Recipientes de Presión EUDEM,
Editorial U.N.M.d.P. ISBN 978-987-1371-18
978-987-1371-18-1.
-1. 2008
6. Expert Assessment and Definition of Root Causes of Failures in
Camisea 14” Pipeline,
Pipeline, Techint Eng. & Construction,
Construction, 200
20066
7. C. Manfredi, J.L. Otegui: Failures by SCC in Buried Pipelines, Eng.
Failure Analysis, ISSN 1350-6307, Vol. 9, No.5, pp 495-509, 2002.
8. Lineamientos para Análisis de Falla – Procedimiento, Compañía
Operadora de Gas del Amazonas, Perú, 2011.
9. Informe Técnico GIE 9401-04-10: Análisis de Falla de Equipo
Cargador de Buques, 2010.
79
CAPÍTULO 3
HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS
MICROSCÓPICO DE UNA FALLA MECÁNICA
3.1 Caracterizaciones microestructurales y metalográficas de piezas
metálicas
3.2 Corte y preparación de muestras
3.3 La naturaleza poli-cristalina de los metales
3.4 Examen microscópico de la estructura de los metales
EJEMPLO 3.A Análisis metalográfico de tubería soldada
3.5 Examen microscópico de superficies de fractura
EJEMPLO 3.B Análisis fractográfico de tubo de pared gruesa
3.6 Identificación de superficies de crecimiento subcrítico
EJEMPLO 3.C Falla en conexión flexible
3.7 Herramientas de alta magnificación, microscopía electrónica
EJEMPLO 3.D Análisis en microscopio electrónico de barrido
3.8 Análisis fractográfico de extra - alta definición, nano dispositivos
dispositivos
BIBLIOGRAFÍA
3.1 Caracterizaciones microestructurales y metalográficas de piezas
metálicas
Vimos en el capítulo anterior que una herramienta poderosa para el análisis de
fallas de elementos mecánicos es el examen de las superficies de fractura. En
este capítulo veremos las técnicas de análisis fractográfico que permiten llegar a
grandes magnificaciones, y con ello observar detalles microscópicos y a veces
vitales para el entendimiento de las causas metalúrgicas de una falla. La
utilización de grandes magnificaciones requiere que la superficie a analizar se
encuentre libre de contaminaciones producidas por la exposición al medio,
luego
de laambiente
falla. Estogenera
es unaunmisión
imposible
en gran
mayoríaendelalos
casos. La
humedad
depósito
superficial
de óxidos
mayoría
de
los metales que luego resulta muy difícil de eliminar. Pero si la contaminación es
reducida podemos convivir con ella. Por eso se hizo hincapié en el capítulo
anterior sobre la preservación
preservación y el acondicionamiento
acondicionamiento de las muestras
destinadas al laboratorio, con el objeto de relevar y caracterizar los defectos.
En este capítulo veremos las dos actividades más relevantes del análisis
microscópico: por un lado, el análisis de las superficies de fractura, principales o
secundarias, naturales o fabricadas en el laboratorio para repetir el evento. Se
determina la forma de los defectos generadores, la interacción entre los mismos
y la presencia de defectos secundarios.
Las
fractográficas
son una herramienta
fundamentaldeenloslamateriales
correlacióny
de lastécnicas
características
microestructurales
con las propiedades
81
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
la morfología de propagación de defectos. Se realizan observaciones mediante
microscopía óptica y electrónica de barrido (SEM), para determinar el estado
del material y/o determinar condiciones y modos de propagación de los
defectos que pudieron contribuir a la ocurrencia de la falla. Para la
determinación de la interacción entre defectos y características
microestructurales se extraen muestras y se realizan probetas metalográficas.
Estas probetas
se realizan
en base
cortes del material,
que alprocedimientos
ser pulidos y
atacados
con reactivos
revelan
su amicroestructura.
Existen
recomendados para estos estudios, por ejemplo por las normas ASTM.
La metalografía es la disciplina que estudia microscópicamente las
características estructurales de un metal o de una aleación. Sin duda, el
microscopio es la herramienta más importante del metalurgista, tanto desde el
punto de vista científico como desde el técnico. Es posible determinar el
tamaño de grano, forma y distribución de varias fases e inclusiones que tienen
gran efecto sobre las propiedades mecánicas del metal. La microestructura
revelará el tratamiento mecánico y térmico del metal y, bajo un conjunto de
condiciones dadas, podrá predecirse su comportamiento esperado.
Los
exámenes
metalográficos
son relativamente
destructivos.
Aún
cuando
no lo
sea, si
nos internamos
en magnificaciones
cada vez
mayores, es
difícil
mantener
una correlación entre lo que se está mirando y la pieza en su conjunto. Por ello,
se realiza previamente un registro fotográfico de todas las zonas de interés. Es
muy útil realizar un dibujo de la probeta para indicar con un número las
fotografías tomadas y el aumento utilizado. Los parámetros a ajustar son el
balance de blancos, el modo y el zoom. Conviene utilizar el zoom siempre al
máximo, de modo de mantener una referencia de tamaño válida.
A la muestra escogida de la pieza a analizar suele llamársela probeta. Ésta debe
satisfacer las condiciones de amplitud y representatividad. La probeta debe ser
tan próxima como sea posible al hipotético origen de la falla o a lo que se
quiera identificar. La probeta puede tener cualquier forma y dimensiones
equivalentes a un paralelepípedo de 5 a 15 mm de lado, aproximadamente.
3.2 Corte y preparación de muestras
La experiencia ha demostrado que el éxito en el estudio microscópico depende
mucho del cuidado que se tenga para preparar la muestra. El microscopio más
costoso no revelará la estructura de una muestra que haya sido preparada en
forma deficiente. El procedimiento que sigue en la preparación de una muestra
es comparativamente sencillo y requiere de una técnica que se desarrolla sólo
después de una práctica constante.
Antes de limpiar la muestra, se recomienda realizar un registro fotográfico para
monitorear la limpieza y no perder información que luego resulte importante. Si
se va a incluir una superficie de fractura o un material con fisuras relativamente
82
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
abiertas, se debe remover toda la suciedad dentro de la entalla. Caso contrario
puede liberarse durante el pulido y rayar la probeta. A veces, sin embargo, se
desea justamente observar esos depósitos. Existen distintos métodos de
limpieza, en la Tabla 3.1 se ordenan por severidad creciente.
Tabla 3.1 Métodos de limpieza
Para la preservación de la muestra en general basta con envolverla en un papel
tisú. Si la muestra no ha sido terminada o no se debe interrumpir el
fotografiado, conviene cubrirla con una capa de aceite liviano multipropósito, y
envolver la muestra en papel film. En ambos casos, las muestras se conservan
dentro de un recipiente plástico estanco con sílica-gel fresca para reducir en lo
posible el nivel de humedad. También deben estar debidamente rotulados con
el nombre del proyecto, cliente o caso.
La muestra debe seleccionarse tanto de la zona de la pieza como de la
orientación apropiada. Si el flujo de grano o la distorsión es importante, puede
ocurrir que una sección transversal de la parte no muestre granos alargados;
únicamente una tajada paralela a la dirección de laminado revelaría
adecuadamente los granos alargados debido al laminado. Algunas veces se
requiere más de una muestra. Usualmente, una soldadura se examina por medio
de una sección
s ección transversal.
Los materiales blandos (de dureza menor a 35 Rc) pueden seccionarse por
aserrado, pero los materiales más duros deben cortarse con un disco agresivo.
Las sierras de corte metalúrgico con hojas abrasivas y flujo de refrigerante son
las herramientas utilizadas para este propósito. La muestra no debe
sobrecalentarse,
sin importar
si es dura de
o blanda.
pueden alterarse con
una alta temperatura
corte. Las estructuras de grano
83
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Las muestras pequeñas o de forma incómoda deben montarse de alguna
manera que facilite el pulido intermedio y final. Alambres, varillas, pequeños
muestras de hoja metálica, secciones delgadas, etc. deben montarse en un
material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica. A menudo
se utilizan plásticos termofijos conformándolos con calor y presión alrededor
de la muestra. La resina termofijada que más se emplea para montar muestras es
la baquelita.
Se utilizan diferentes métodos de pulido tales como el electrolítico, el rotatorio
o el de vibración. El procedimiento más común consiste en desbastar primero
la superficie de la muestra en una lijadora de banda y luego a mano con papel
abrasivo de varios grados, desde el número de partícula de 240 hasta de 600. La
muestra se pule sobre una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más
finos, sucesivamente. Por lo general, las operaciones de pulido intermedio con
lijas de esmeril se hacen en seco; sin embargo, en ciertos casos, como el de
preparación de materiales suaves, se puede usar un abrasivo de carburo de
silicio. Comparado con el papel esmeril, el carburo de silicio tiene mayor
rapidez de remoción y, como su acabado es a base de resina, se puede utilizar
con un lubricante, el cual impide el sobrecalentamiento de la muestra, minimiza
el
daño cuando
los metales
son blandos
y también
proporciona
unalaacción
de
enjuague
para limpiar
los productos
removidos
de la
superficie de
muestra,
de modo que el papel no se ensucie.
El tiempo utilizado y el éxito del pulido fino dependen en gran parte del
cuidado puesto durante los pasos de pulido previo. La última aproximación a
una superficie plana libre de rayas se obtiene mediante una rueda giratoria
húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas
cuidadosamente seleccionadas en su tamaño.
Existe una gran de abrasivos para efectuar el último pulido. En tanto que
muchos harán un trabajo satisfactorio parece haber preferencia por la forma
gama del óxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y de los basados en
cobre, y óxido de cerio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros
abrasivos que se emplean a menudo para pulido final son la pasta de diamante,
el óxido de cromo y el óxido de magnesio. La pasta de diamante es la opción
más efectiva cuando se prevé la realización de análisis químicos de la superficie
pulida, ya que no deja residuos de elementos que pueden luego ser confundidos
como aleantes (típicamente, el aluminio y el silicio en muestras de acero).
Se pueden encontrar paños de pulir de lanilla o pelillo variable. También se
pueden encontrar paños sintéticos para pulir con fines de pulido general, de los
cuales el gamal y el micro paño son los que se utilizan más ampliamente. Cada
etapa de pulido debe hacerse en dirección normal a la anterior. Una muestra
pulida en forma de cuadro mostrará adecuadamente las inclusiones no metálicas
y otros defectos.
84
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Siempre sospeche de la limpieza del paño: no limpie la probeta arriba del paño.
Si Ud. Se retira del lugar, limpie el paño otra vez al regresar. Nunca se sabe
quién pudo venir mientras tanto. No utilice el paño para aleaciones de cobre
con el resto de las aleaciones ni viceversa.
El propósito del ataque químico es hacer visibles las características estructurales
del metal o las
aleación.
ser tal
claramente
diferenciadas
partes El
de laproceso
micro debe
estructura.
Estoquese queden
logra mediante
un
reactivo apropiado que somete a la superficie pulida a una acción química. Los
reactivos que se sutilizan consisten en ácidos orgánicos o inorgánicos y álcalis
disueltos en alcohol, agua u otros solventes. En la Tabla 3.2 se indican los
reactivos más comunes para aceros.
METAL REACTIVO
Hierro y
acero al
carbono
COMPOSICION
Nital
5 a 60
2 a 5% de ácido
nítrico en alcohol
segundos
metílico.
OBSERVACIONES
Obscurece la perlita
Diferencia la perlita de la
martensita.
Revela los límites de grano de la
ferrita.
Muestra la profundidad del núcleo
en los aceros nitrurados.
Para aceros al carbono y de baja
4 g de ácido pícrico
aleación es tan bueno como el Nital
en 100 ml de
para revelar los límites de grano de la
alcohol metílico.
ferrita. Tiempo 5 a 120 segundos.
5 g de ácido
clorhídrico y 1 g de
Ácido
Revela los granos de austenita en los
ácido pícrico en
clorhídrico y
aceros templados y revenidos.
ácido pícrico. 100ml de alcohol
metílico.
Picral
5 a 120
segundos
Tabla 3.2 Reactivos más comunes para aceros
Las muestras pueden atacarse durante el tiempo necesario sumergiéndolas boca
abajo en la solución. Un método opcional consiste en aplicar el reactivo con un
gotero para ojos. La acción del ataque se detiene al colocar la muestra bajo una
corriente de agua. La muestra se seca con alcohol isopropílico y con una
secadora de pelo para terminar. Es importante no frotar la muestra pulida y
atacada con ninguna tela ni con los dedos.
El tiempo de ataque debe controlarse muy cuidadosamente. Si el tiempo de
ataque es demasiado corto, la muestra quedará subatacada y los límites de grano
y otras configuraciones se verán desvanecidos e indistintos cuando se observen
en el microscopio.
Si el tiempo
de ataquemostrando
es demasiado
largo,nola usuales.
muestra Es
se
sobre
atacará y quedará
muy obscura,
colores
85
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
recomendable atacar en etapas. Distintas características se observan con
diversos grados de ataque.
Un aspecto de las técnicas de preparación de metalografías relevante en su uso
para análisis de fallas es el rearmado de las superficies opuestas de una fractura,
para obtener una vista completa de la interacción entre la fractura y las
características
microestructu
rales. habitualmente en piezas que están separadas
El
corte de lasmicroestructurales.
muestras se realiza
y muchas veces deformadas por las consecuencias de la falla. Los sitios de corte
deben ser cuidadosamente seleccionados para asegurar un emparejamiento lo
más preciso posible.
El rearmado se puede hacer colocando las dos piezas en una misma inclusión, o
posteriormente, emparejando las imágenes fotográficas. Tal es el caso de la
Figura 3.1, que corresponde al punto de iniciación de una fractura en la raíz de
una soldadura. Se muestran dos magnificaciones diferentes. El detalle de la
zona de iniciación del defecto inicial (recuadro) se muestra a mayor
magnificación (X200).
󰁄
󰁃
󰁂
󰁁
Figura 3.1 Sección en la iniciación de una fractura en soldadura
Aquí se aprecia cómo se complementan las morfologías
morfologías de las superficies de
fractura. La punta indicada
indicada en A corresponde
corresponde a una
una protuberancia
protuberancia que fue
probablemente deformada plásticamente durante la manipulación posterior a la
86
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
falla. Los defectos B, C y D son inclusiones alargadas y de bordes agudos,
probablemente debidos a segregación en los límites de los granos columnares
de la soldadura. Un defecto como estos fue probablemente el origen de la
fractura, nótese como se hallan alineados con la traza de la fractura.
3.3 La naturaleza poli-cristalina de los metales
Decía en sus clases de postgrado en la UNSAM el Ing. Mario Quinteiro: El
hombre de la prehistoria era un incansable buscador de piedras para, tras
sucesivos golpes, hacer sus herramientas. Con cada
cada golpe saltaba un trozo de la
piedra y la piedra quedaba como afilado cuchillo o hacha Pero había algunas
piedras que a golpes no se partían sino que se aplanaban, modelaban, estiraban.
No eran frágiles sino plásticas. Así, por su propiedad más característica, el
hombre del Neolítico descubrió los metales.
Mucho después descubrió que éstos transmitían mejor el calor e hizo vasijas de
cobre o hierro, y mucho después, a fines del siglo XVIII, descubrió que eran los
mejores conductores de la electricidad. Desde la Edad del Bronce y la del
Hierro,
puede
decirseque
que aparecen
la historiaenes lala historia
de los metales.
los 92
elementos
naturales
tabla periódica,
70 sonDemetales.
Plasticidad y conducción eléctrica son dos propiedades que se confunden con el
metal mismo.
Debemos buscar el origen de estas dos propiedades, fundamentalmente en su
estructura cristalina y en el enlace que une los átomos entre sí. El estado sólido
se caracteriza por un ordenamiento regular de las partículas, átomos, iones o
moléculas que constituyen el elemento o compuesto químico. Si imaginamos
una red espacial de tres ejes que se repiten indefinidamente y que forman entre
sí ángulos rectos o no, podemos tomar lo que llamaríamos una celda unitaria de
lados iguales o diferentes que repetida en el espacio volvería a reproducir esta
red espacial. Colocando los iones, átomos o, moléculas en los vértices de esta
celda unitaria podemos construir 14 tipos diferentes de redes espaciales que a
su vez pueden reducirse a 7 tipos de sólidos, bases de los 7 sistemas
cristalográficos en los cuales cristalizan todas las substancias químicas. Si una
solución, un metal o cualquier líquido se enfrían, el sólido que se obtiene toma
una de estas formas
f ormas cristalinas.
Los metales, desprendidos de sus electrones periféricos se ubican en los nodos
de la red y, formando como un mar de electrones, los electrones de valencia
circulan en los niveles orbitales más alejados del núcleo. Es este el enlace
metálico. Los iones en los cristales metálicos son todos equivalentes lo que
explica su plasticidad pues pueden cambiar de lugar sin modificar la estructura
del cristal. Los electrones dispuestos de esta manera, ante una diferencia de
potencial, circulan libremente originando así la corriente eléctrica, la
conductividad metálica.
87
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Los metales cristalizan fundamentalmente en el sistema cúbico de cuerpo
centrado y en el sistema hexagonal compacto. Esto explica, por la gran
compacidad del empaquetamiento atómico, la alta densidad de los metales y en
parte también por la equivalencia de los parámetros cristalinos su aporte a la
plasticidad. Algunas substancias químicas, entre ellas algunos metales, cristalizan
en dos o más sistemas cristalinos. Esto recibe el nombre de alotropía y explica
el comportamiento
de algunos
metales,
comopropiedades
el hierro, frente
las tratamiento
variaciones
de
temperatura y permite
cambiar
algunas
con aun
térmico adecuado.
Cuando dentro de la red cristalina de un metal penetra un átomo de otro
elemento químico, metálico o no, éste entra en solución sólida en el metal
original. Estos átomos pueden penetrar de dos maneras diferentes, ya sea por
una substitución de uno o más átomos del disolvente por uno o más átomos
del soluto y originando una solución sólida por substitución. En otros casos los
átomos del elemento que penetra lo hace en los intersticios del cristal. Son
átomos de dimensiones bastante menores que los parámetros de la red. Se
obtiene así una aleación intersticial.
El
tamaño
granodel
tiene
un notabledeefecto
las propiedades
del
metal.
Los de
efectos
crecimiento
granoenprovocados
por elmecánicas
tratamiento
térmico son fácilmente predecibles. La temperatura, los elementos aleantes y el
tiempo de impregnación térmica afectan el tamaño del grano. En metales, por
lo general, es preferible un tamaño de grano pequeño que uno grande. Los
metales de grano pequeño tienen mayor resistencia a la tracción, mayor dureza
y se distorsionan menos durante el temple; también son menos susceptibles al
agrietamiento. Sin embargo, en los aceros, el grano grueso incrementa la
endurecibilidad (templabilidad), la cual es deseable a menudo para la
carburización y también para el acero que se someterá a largos procesos de
trabajo en frío.
Todos los metales experimentan crecimiento de grano a altas temperaturas. Sin
embargo, existen algunos aceros que pueden alcanzar temperaturas
relativamente altas (alrededor de 1800ºF o 982ºC) con muy poco crecimiento
de grano. Pero conforme aumenta la temperatura, existe un rápido crecimiento
de grano. Estos aceros se conocen como aceros de grano fino. En un mismo
acero puede producirse una amplia gama de tamaños de grano.
El tamaño de grano se determina por medio de la cuenta de los granos en cada
pulgada cuadrada bajo un aumento de 100X. La Figura 3.2 es una carta que
representa el tamaño real de los granos tal como aparece cuando se aumenta su
tamaño 100X. En aceros estructurales, que sufren cambios en fase sólida, el
tamaño de grano especificado es por lo general, el tamaño de grano austenítico
(previo a la transformación de fase).
88
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.2 Tamaño real de los granos (aumento 100X)
3.4 Examen microscópico de los estructura de los metales
Los detalles de la estructura de los metales no son fácilmente visibles, pero las
estructuras de grano de los metales pueden verse con un microscopio. Las
características del metal, el tamaño de grano y el contenido de carbono pueden
determinarse estudiando la micrografía.
Una formidable gama de herramientas está disponible para apoyar al análisis de
falla con representación y análisis de imágenes de alta resolución. Cada una
tiene susrequiere
ventajas,una
quecomprensión
a menudo son
El yanálisis
exitoso
eficiente
de lascomplementarias.
diferencias técnicas
la elección
de lay
herramienta que mejor se ajuste a los requisitos de una aplicación particular.
El microscopio metalúrgico de luz reflejada es ampliamente el más utilizado. Es
similar a aquellos utilizados para otros propósitos, excepto que contiene un
sistema de iluminación dentro del sistema de lentes para proveer iluminación
vertical. Algunos microscopios también tienen un retículo y una escala
micrométrica para medir la imagen aumentada. También se utiliza otro retículo
que contiene los diferentes tamaños de grano a aumentos de 100X y se utiliza
para comparar o medir el tamaño de grano relativo. Los filtros y polarizadores
se utilizan en la iluminación o el sistema óptico para reducir el brillo y mejorar
la definición de las estructuras de grano. El poder de aumento del microscopio
puede determinarse si se multiplica el poder de la lente objetivo por el del
89
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
ocular. Por tanto, un lente objetivo de 40X con un ocular de 12.5X agrandaría
la imagen hasta 500X (500 diámetros).
Los microscopios de platina invertida ofrecen un diseño más moderno. En este
instrumento la muestra se coloca boca abajo en la platina. En análisis de fallas,
normalmente se utiliza un microscopio de platina invertida, junto con una
cámara de
videodar
y un
monitor
de TVhasta
de circuito
cerrado.
Los microscopios
ópticos
pueden
buenas
imágenes
X500, tienen
ópticas
hasta 1000X
pero se pierde algo de resolución. La imagen se proyecta sobre una pantalla de
brillo mate. Muchos instrumentos metalográficos tienen la capacidad de
producir microfotografías. Existen adaptadores para que la mayoría de los
microscopios obtengan fotografías.
El análisis de la microestructura de los materiales ayuda a determinar si el
equipo y sus accesorios han sido procesados correctamente. Es crítico para
determinar la confiabilidad de un producto y para determinar por qué un
material falló. Esta introducción a la metalografía es aplicable a evaluaciones de
integridad estructural, análisis de falla, y determinación de vida residual sobre
componentes metálicos.
La diversidad de aleaciones, condiciones de operación y tratamientos térmicos
genera diferentes estructuras. Los metales y aleaciones son policristalinos, es
decir que se componen de cristales comúnmente llamados granos. El tamaño,
forma y configuración de los granos en el seno de un metal o aleación son
función de la forma en la cual el metal se produjo y de la forma en que se usa.
Es común que los metales y las aleaciones contengan poros, inclusiones no
metálicas, fisuras u otras discontinuidades en los granos o en sus bordes. Si
comprometen la integridad o confiabilidad del equipo son denominados
defectos.
Muchas de estas características a veces son sólo visibles utilizando un
microscopio (óptico o electrónico) una vez que la superficie ha sido pulida a
espejo. Esto se conoce como examinación sobre pulido (as polished). Para
revelar la estructura de grano, sin embargo, se debe recurrir al revelado
mediante el ataque selectivo. Esto se conoce como examinación del metal
revelado (etched condition). A continuación veremos algunas estructuras
características de aceros usados en componentes mecánicos.
La Figura 3.3 (a, b, c) muestra, de izquierda a derecha, las fases que componen
las microestructuras típicas de los aceros estructurales al carbono típicamente
obtenidos con tratamientos térmicos de baja velocidad de enfriamiento
(recocidos o normalizados).
90
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
AUSTENITA X100
PERLITA X500
FERRITA X200
Figura 3.3 (a, b, c) Microestructuras típicas de aceros estructurales
Figura 3.3 (d) Muestra de réplica metalográfica de un acero estructural (X200)
La Figura 3.3.d muestra una réplica metalográfica de acetato de un acero
estructural pulido y atacado con el reactivo Nital. Se observa la matriz continua
de Ferrita (clara) con islas de una segunda fase, la perlita, que en condiciones
normales y a mayores aumentos presenta la estructura interna laminar de la
Figura 3.2.b. Las láminas son de ferrita (clara) y cementita (oscura). La Figura
3.4 (a,b,c) muestra la microestructura característica de una aleación de Cromo
Níquel (25Cr/35Ni/0.4C/1Nb). De izquierda a derecha 65X, 130X y 350X.
Las flechas indican un mismo detalle (inclusión en borde de grano).
91
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 3.4 (a, b, c) Microestructura característica de una aleación de Cromo – Níquel
Figura 3.5 Estructura de un acero (200x) (a) ferrita perlita, (b) martensita
La Figura 3.5(a, b) muestra dos microestructuras producidas por diferentes
tratamientos térmicos de un acero estructural al C y de baja aleación:
a. ferrita perlita, típica de metal base, en aceros enfriados
lentamente. El bandeado es común en chapas y tuberías
laminadas, y se debe a la deformación de los granos durante la
laminación en frío de la chapa.
b. martensita, típica en aceros enfriados rápidamente (templados).
Es dura y resistente, pero frágil, si no se la trata
adecuadamente con algún tratamiento térmico de revenido.
92
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
A velocidades de enfriamiento intermedias, con elementos de aleación y
tratamientos termo mecánicos controlados, es posible obtener microestructuras
intermedias. De ellas, la bainita, cuando se obtiene como una segunda fase en
una matriz ferrítica de grano fino,
f ino, permite obtener alta resistencia y ductilidad.
Es posible encontrar martensita aún cuando no se desee, por ejemplo, en zonas
afectadas por el calor de soldaduras (ZAC). Cuando se sospecha que una falla
puede estarderelacionada
un problema de
esteotros
tipo, sitios
es frecuente
que sobredel
la
superficie
la muestraa metalográfica
o en
de la superficie
componente se realicen mapeos de microdureza. La Figura 3.6 muestra el
resultado de un mapeo de este tipo. Nótese en este caso como la dureza en el
punto 6, en la zona afectada por la soldadura, es casi el doble que en las zonas
“normales” del material base de las chapas soldadas.
Figura 3.6 Mapeo de microdureza
Otra manera en la que un acero dúctil se vuelve frágil es debido al agotamiento
de su ductilidad, en zonas de alta deformación plástica. La impronta de la
dureza Vickers es muy pequeña, y permite mapeos en zonas muy puntuales. En
el ejemplo de la Figura 3.7 vemos la sección (magnificación 50X) de una tubería
que sufrió desgarros al ser alcanzada accidentalmente por los dientes de una
retroexcavadora. Vemos que en zonas de la superficie se alcanzan los 350 HV,
mientras que el material base no afectado tiene una dureza de 280 HV.
93
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
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Figura 3.7 Sección de tubería con desgarros
Una aplicación importante de las técnicas de examen metalográfico,
particularmente en los análisis de fallas relacionadas con desgaste, corrosión y
fatiga, es la verificación de tratamientos superficiales. En la Figura 3.8 (a,b,c
aprox. X50) se presentan tres ejemplos:
a) un diente de engranaje de acero (0.16% C, 0.6%Mn, 1.65% Cr, 3.65%
Ni) con un tratamiento de carburización y templado superficial,
b) agrietamiento de la estructura martensítica en la superficie de un
cigüeñal de motor con temple superficial,
c) defectos superficiales
superficiales en un alambre de acero “galvanizado”
(recubrimiento superficial con zinc por inmersión.
b
a
c
Figura
3.8(a)(c)
Diente
de engranaje
de acero
Agrietamiento
la estructura
martensítica
Defectos
superficiales
en un(b)
alambre
de acero de
“galvanizado”
94
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Pero la característica más saliente del análisis metalográfico en el contexto de un
análisis de falla es la caracterización de fisuras y otros defectos en el seno del
material. A continuación desarrollamos un ejemplo.
EJEMPLO 3.A Análisis metalográfico de tubería soldada
En este ejemplo se presentan algunos resultados del análisis metalográfico
realizado para el análisis de las causas que provocaron la fractura circunferencial
en un gasoducto en zona montañosa, que provocó un reventón seguido de
fuego.
El reventón fue provocado por la propagación de una fractura circunferencial
en la zona de una junta circunferencial soldada en campo, ver Figura 3.A1. El
sitio de iniciación de la fractura se determinó en función del análisis
fractográfico y se encuentra aproximadamente a hora 8:20. En esta zona se
detectaron reducciones localizadas de espesor de hasta un 20%, en el material
base adyacente a la zona afectada por el calor (ZAC) de la soldadura
circunferencial. No se detectaron defectos de fabricación o construcción que
pudieran
considerarse
de iniciación
A, B, C. en
la sección sitios
de la preferenciales
Figura 3.A2). En
el inserto de
se fisuras
aprecian(ver
las defectos
grandes
deformaciones sufridas por la ZAC de la soldadura antes de su rotura final,
indicada por las regiones D, E, F en la Figura 3.A2.
Figura 3.A1 Reventón en Gasoducto
La fractura analizada fue precedida por grandes deformaciones plásticas (ver
también variaciones de diámetro en la Figura). El reventón fue consecuencia de
grandes cargas de tracción y flexión en dirección longitudinal), probablemente
95
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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debidos a movimientos de tierra que deformaron a la cañería más allá de su
resistencia.
Figura 3.A2 Muestra metalográfica de una sección de la Fractura
La Figura 3.A3 (a, b, c) muestra la sección pulida y atacada con Nital 2% de una
zona colapsada por pandeo plástico en una zona comprimida del gasoducto. Se
observa la morfología de microfisuras en la arruga, y su interacción con las
características microestructurales del material. Nótese por un lado la severidad
de la arruga. El radio local de curvatura longitudinal del tubo originalmente
recto es comparable con su espesor (Figura 3.A3.a). Por otro lado, en los
insertos a mayor magnificación se aprecian microfisuras aparecidas dentro de la
arruga, y su interacción con las características microestructurales
microestructurales del material
No es posible propagar fisuras bajo cargas de compresión. Lo que ocurrió aquí
es que
inmediatamente
de producirse
el pandeo
sección,
la
componente
elásticaluego
provocó
una reapertura
de localizado
la arruga. de
Lalazona
del
material en los sitios A, B estaba tan deformada que había agotado su
ductilidad, por lo que la presencia de fuerzas restitutivas aún de pequeño valor
fueron suficientes para propagar la fisura AC. Las fisuras perpendiculares a ésta
en la zona media del espesor (C) son fisuras secundarias por deformación
plástica; fueron probablemente producidas por las tensiones generadas en
dirección del espesor, por efecto de la deformación lateral (Poisson).
96
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.A3 Microestructura de la fractura
3.5 Examen microscópico de superficies de fractura
Uno de los aspectos centrales de la observación de las superficies de fractura es,
como ya hemos visto en el Capítulo 2, que suelen estar contaminadas. Los
distintos métodos de limpieza ya fueron vistos, se ordenan por severidad en la
Tabla 3.1. Pero el óxido atmosférico es un problema específico para estas
superficies generadas durante la falla.
Para limpiar probetas con superficies oxidadas, luego de seguir el esquema de la
Tablas 3.1, podemos utilizar una solución de limpieza química. Existen
productos comerciales, como el denominado Alconox, pero pueden prepararse
fórmulas
específicas.
conveniente
preparar
la ultrasónica.
solución dentro
de útil
un
recipiente inmerso
en elEs
baño
en agua de una
lavadora
Esto será
al momento de efectuar la limpieza de muestras pequeñas. En un recipiente con
agua destilada a una temperatura de 60 a 90 °C, agregue pequeñas cantidades el
ácido cítrico mientras mezcla vigorosamente para disolverlo. Una vez disuelto
todo el ácido cítrico, controle el PH y la temperatura de la solución. Agregue
pequeñas cantidades de agua amoniacal para elevar el PH de la solución a 8.
Mezclar en todo momento. No aspire los vapores.
Cuando el PH = 6, la solución se comportará como un “amortiguador”, es
decir, llevará tiempo y bastante agua amoniacal elevar el PH pero es necesario
continuar haciéndolo en pequeñas cantidades, ya que en determinado momento
el PH de la solución crecerá rápidamente y puede superar el valor 8. Es
importante controlar la temperatura de la solución ya que si se alcanzan los
90°C, la solución tomará un color amarronado o caramelo y deberá desecharse.
97
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Para preparar la solución pasivadora, vierta una cucharada sopera de nitrito de
sodio en un recipiente con agua destilada a temperatura ambiente y mezcle
vigorosamente hasta diluirlo comple
completamente.
tamente.
Procedimiento de limpieza: sumerja la probeta en la solución de limpieza a una
temperatura de entre 60 y 90 °C. Recuerde que la probeta está a temperatura
ambiente, por lo tanto la temperatura de la solución disminuirá ligeramente
dependiendo
la masadede6600solución
de la probeta.
Controle
la temperatura
la solución. Ademenos
°C la ymezcla
prácticamente
prácticamente
carece
de poder de
limpieza mientras que a 90° la solución deberá desecharse.
Agite vigorosamente. Si utiliza lavadora ultrasónica, facilitará el
desprendimiento del óxido y de la suciedad adherida a la superficie de la
probeta. Para piezas de dimensiones pequeñas un minuto es suficiente para
limpieza aceptable. Si es necesario vuelva a sumergir la probeta en la solución,
limpie nuevamente y sumerja la probeta en la solución pasivadora. Mantenga la
probeta dentro de la solución entre unos 30 segundos a 10 minutos.
Inspeccione frecuentemente el estado de la probeta. Si nota que comienzan a
aparecer manchas oscuras retírela rápidamente y límpiela con agua y alcohol o
acetona antes de secar.
En
los apartados
siguientes sea partir
discutirán
losálisis
modos
de falla final
en mayor
medida
pueden identificarse
del análisis
an
fractográfico
en que
componentes
a presión, máquinas y otros equipos metálicos.
Fractura Frágil: como vimos en el Capítulo 2, es una fractura súbita bajo
tensiones (residuales ó aplicadas) en la que el material exhibe pequeña o
ninguna evidencia de deformación plástica. En una escala macroscópica, la
fractura frágil tiene lugar sin una apreciable deformación y debido a la rápida
propagación de una fisura. En una escala microscópica, normalmente ocurre a
lo largo de planos cristalográficos específicos denominados planos de fractura,
que son perpendiculares a la tensión aplicada. La mayoría de las fracturas
frágiles son transgranulares o sea que se propagan a través de los granos. Pero si
los límites de grano constituyen una zona de debilidad, es posible que la
fractura se propague intergranularmente.
98
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.6 Microestructura de Fractura Frágil por Clivaje
Los procesos de fractura frágil en aceros estructurales involucran un proceso a
nivel microscópico denominado
denominado clivaje, donde los granos se parten y se forman
superficies planas brillantes. La Figura 3.6 (X1.000) muestra a grandes
magnificaciones este tipo de proceso de fractura frágil por clivaje.
Fractura Dúctil y Deformación Plástica Excesiva: constituye el modo de falla
mejor comprendido en un componente estructural, y es la base del diseño
clásico de componentes estructurales.
En una escala macroscópica, hemos visto (Figura 2.7) típicas fracturas dúctiles a
45 grados en chapas de acero estructural. El efecto de “mil hojas” se produce
típicamente en caños modernos de mediana o alta resistencia (por ejemplo, en
API 5L X70) laminados con tratamiento termomecánico. Todos los procesos
de
fractura dúctil
en aceros
estructurales
un Laproceso
nivel
microscópico
denominado
coalescencia
de involucran
microhuecos.
Figura a 3.7
(a
X1.000 y b X10.000) muestra a grandes magnificaciones este tipo de proceso,
los granos en cada hueco son inclusiones en el material.
99
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 3.7 Microestructura de una Fractura Dúctil
EJEMPLO 3.B Análisis fractográfico de tubo de
d e pared gruesa
En este ejemplo veremos el poder de las técnicas de análisis fractográfico para
la determinación de la causa física de una falla inusual. La Figura 3.B1 muestra
la superficie de uno de los tubos de acero curvados de pared gruesa, utilizados
en un reactor de una Planta Petroquímica que presentaban fallas repetitivas. Se
analizaron las causas y mecanismos de daño que provocaron la propagación de
las fisuras en diez tubos.
Se realizaron los análisis
análisis habituales en un análi
análisis
sis de falla. En todos los casos se
observaron fisuras ramificadas, Figura 3.B2 (a,b).Estos estudios mostraron una
forma particular de fractura rápida o frágil, esto es, sin grandes deformaciones
plásticas que se puede dar en algunos casos particulares como fractura
intergranular. En estos casos, por efecto de algún medio fragilizante del borde
de grano se produce la separación de los granos y la formación de una fractura.
f ractura.
100
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.B1 Tubo de Acero Curvado
Figura 3.B2 (a, b) Fisuras
Ramificadas
La Figura 3.B3 (X14, b X200) muestra el defecto iniciador en la superficie
interior de uno de los tubos, a partir del cual crecieron las fisuras en servicio en
el tubo, sometido a 2500 bar de presión interior. Todas las fisuras en ambos
tubos son mayoritariamente circunferenciales, su propagación es intergranular y
están fuertemente ramificadas. Esta forma infrecuente de fisuración requirió de
análisis específicos: medición de tensiones residuales y simulación de
fragilización térmica y mecánica.
Figura 3.B3 Defecto Iniciador
101
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
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La micrografía SEM de la Figura 3.B4 (a X1000, b X4000) muestra algunos
resultados del análisis. Se trata de un caso en extremo infrecuente de fractura
intergranular con coalescencia de microhuecos. La identificación de este tipo de
fractura permitió identificar un mecanismo de fragilización particular en los
tubos. Las fisuras propagaron bajo la acción de tensiones de tracción debidas a
la combinación de las cargas de servicio (expansión térmica y mecánica, presión
interior ytensiones
momentos
con origen
en las condiciones de apoyo de la cañería) con
grandes
longitudina
longitudinales
les residuales.
Figura 3.B4 Fractura Intergranular con Coalescencia de Microhuecos
La
causa
raíz de todas
las fallas
es un El
mecanismo
de de
degradación
en borde
de
grano,
producido
durante
el servicio.
mecanismo
fragilización
pudo ser
relacionado con el proceso de fabricación. En ausencia de fisuras este
mecanismo de fragilización puede revertirse mediante un nuevo tratamiento
térmico.
3.6 Identificación de superficies de crecimiento subcrítico
Las formas de propagación subcrítica que suelen producirse a partir de un
defecto y antes de la ocurrencia de la falla final también conducen a superficies
de fractura con características particulares. Además de las características
macroscópicas definidas por las marcas de playa, de cuña y de río (Capítulo 2),
en un análisis macroscópico cada tipo de propagación involucra aspectos
característicos. La fisuración por fatiga es una forma mecánica de degradación
102
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
que ocurre cuando el componente se expone a tensiones cíclicas en un período
de tiempo. La característica más notable de la propagación transgranular es la
formación de estriaciones.
A menos que estén degradadas por acción de golpes o corrosión luego de la
falla, las superficies de la fractura suelen indicar claramente si la propagación es
por fatiga. sucesivas
Las marcas
playa
las Esto
superficies
rugosas elseñalan
posiciones
del de
frente
de en
fisura.
permitemenos
individualizar
o los
sitios de iniciación de la propagación. En algunos materiales es posible
identificar el mecanismo de propagación a escala microscópica. Los procesos de
fractura dúctil en aceros inoxidables, aluminios o soldaduras de aceros
estructurales involucran un proceso a nivel microscópico denominado
estriaciones (marcas paralelas muy pequeñas). La Figura 3.8 muestra a grandes
magnificaciones este tipo de proceso. La fisura propaga de izquierda a derecha,
el aspecto rugoso se produce por las estriaciones paralelas equiespaciadas. A
pocas magnificaciones, la superficie se observa plana y pareja, pero opaca (no
brillante o pulida).
Figura 3.8 Fatiga: examen macroscópico y microscópico
La propagación subcrítica de fisuras por corrosión bajo tensiones (SCC) o
Creep, por ejemplo, se caracterizan por propagación intergranular, en general
ramificada. La Figura 3.9 muestra un ejemplo de SCC. En la magnificación a
1000X se observan los límites de grano como una superficie ondulada, con un
depósito corrosivo.
103
Análisis de fallas – Fundamentos
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aplicaciones
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Figura 3.9 Propagación subcrítica de fisuras por corrosión bajo tensiones (SCC)
EJEMPLO 3.C Falla en conexión flexible
Se produjo la falla de una conexión flexible, compuesta por un caño corrugado
interior de
de 6” pulgadas con recubrimiento de malla
malla metálica
metálica de
de acero
inoxidable, ver Figura 3.C1. La conexión estaba colocada en la descarga de un
compresor de Propano. Se busca determinar la razón de la falla, si la misma se
debió a que el flexible estaba mal seleccionado o debido a deficiencias en su
colocación y mantenimiento.
Figura 3.C1 Posición de los flexibles a la descarga del compresor
104
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
El análisis visual permitió determinar que en las instancias finales de la falla, el
tubo corrugado produjo un bucle o hernia fuera de la malla hacia el lado
externo de la curva, produciendo el estirado del corrugado (Figura 3.C2). La
rotura final del corrugado se produjo por tracción en uno de los extremos. El
corrugado se inestabilizó debido a la pérdida de resistencia de la malla, la cual se
fue rompiendo progresivamente debido a desgaste y fatiga de los alambres.
Figura 3.C2 Mecanismo de falla por inestabilidad lateral del tubo corrugado. Zona A
lado externo del bucle, zona B lado interno, zona C rotura final y separación del tubo
corrugado
El análisis fractográfico permitió detectar la forma en que se produjo la
progresiva rotura de la malla. La Figura 3.C3 muestra que la falla se produjo por
sobrecarga de la malla, luego de una marcada reducción localizada de sección de
los alambres, debida a desgaste. El desgaste se produjo por roce entre los
alambres y contra el tubo corrugado durante el servicio, Figura 3.C4. Las
fracturas
en lospreviamente
alambres fueron
consecuencia
de propagación de fisuras por
fatiga en zonas
desgastadas,
Figura 3.C5.
Figura 3.C3 Alambre de la malla con marcas de desgaste
(a) contra la trama cruzada y (b) contra los lóbulos del corrugado
105
Análisis de fallas – Fundamentos
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aplicaciones
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Figura 3.C4 Flexible fallado. Se indican patrones de desgaste del tubo corrugado,
detalle del desgaste en la parte externa de los lóbulos (20X)
No se encontraron defectos en los alambres. Los ensayos dimensionales y
mecánicos confirman su concordancia con las especificaciones. Al analizar las
tablas provistas por el fabricante y los datos de operación, se encontró que la
presión de operación del flexible estaba por encima de la presión admisible
definida por norma, dadas las condiciones de presión cíclica a las que estaba
sometida la conexión ala descarga del compresor.
El modo de falla también pone en evidencia un problema en la colocación del
flexible. El mismo funcionaba, en forma levemente comprimida sostenido en
su posición por el bridado de los extremos. Esto posibilitó la formación de un
huelgo entre la malla y el corrugado, por lo que el contacto de la malla con el
corrugado se produjo sólo en parte de su perímetro, Figura 3.C4, lo que
permitió el desplazamiento relativo y consecuentemente favoreciendo el
desgaste. Como solución al problema, se recomendó establecer procedimientos
de verificación de las dimensiones del elemento flexible de acuerdo a cada
posición de colocación y del procedimiento de armado. También se recomendó
aumentar la frecuencia de inspección, así como verificar el nivel de vibraciones
de los elementos vinculados y del propio flexible.
106
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.C5 Micrografía del frente de fractura (X100) de un alambre donde se
identifican las partes características. En el recuadro se encontraron estriaciones debidas
a fatiga (X2000)
3.7 Herramientas de alta magnificación, microscopía electrónica
La potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la
longitud de onda de la luz visible (4.000 Angstroms). Además, con el aumento
de la magnificación se pierde profundidad de campo (como hemos visto para el
caso de las cámaras fotográficas en el Capítulo 2). El microscopio electrónico
utiliza electrones para iluminar un objeto. Dado que los electrones tienen una
longitud de onda mucho menor que la de la luz (alrededor de 0.5 Angstroms),
pueden mostrar
mostrar estructuras
estructuras mucho más pequeñas. Todos los microscopios
electrónicos cuentan con varios elementos básicos. Disponen de un cañón de
electrones que emite los electrones que chocan contra el espécimen, creando
una imagen aumentada. Se utilizan lentes magnéticas para crear campos que
dirigen y enfocan el haz de electrones. El sistema de vacío es una parte
107
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
relevante del microscopio electrónico, pues los las moléculas del aire pueden
desviar los electrones.
Todas las superficies de fractura con magnificaciones mayores a 10X que se
mostraron en la sección anterior fueron tomadas con un microscopio
electrónico de barrido
barrido (Scanning
(Scanning Electron Microscope,
Microscope, SEM). El SEM
SEM barre o
“escanea”
un global
haz dey electrones
centralizado
la superficie
de
una
muestra
construye finamente
una imagen
en la que sobre
el brillo
en cualquier
punto representa la intensidad de la señal medida cuando el punto
correspondiente en la muestra es iluminada por el barrido del haz. El SEM es
generalmente considerado como una técnica de representación de imágenes
superficiales. Tiene una amplia aceptación sobre la base de su velocidad,
flexibilidad, simplicidad, y la mínima preparación de la muestra.
La espectroscopia de rayos X (Energy-Dispersive X-Ray Spectroscopy, EDS o
EDX) es una técnica utilizada para determinar la estructura electrónica de los
materiales mediante excitación por rayos X. La espectroscopia de rayos X tiene
una amplia gama de aplicaciones, en especial en la determinación de estructuras
cristalinas y muestras sólidas. Los rayos X son una radiación electromagnética
con
unaatómico.
energíaLos
muyrayos
alta,Xque
absorciónestructuras
por los electrones
núcleo
son permite
capaces su
de penetrar
cristalinas: del
su
longitud de onda, del orden de las distancias interatómicas, hace que se
difracten, produciendo los patrones de difracción del cristal. Los datos
obtenidos se utilizan para determinar la estructura cristalina de cada
componente, y con ello, la composición química en la zona (pequeña) de
análisis.
Los característicos rayos X generados por los haces de electrones proporcionan
un medio para determinar la composición elemental de la muestra. Las
imágenes de rayos X (mapas) son en general ruidosas y tienen una resolución
espacial pobre, por lo que los análisis son semi-cuantitativos. Aún así,
proporcionan información vital en aplicaciones de análisis de fallas tales como
la identificación de fases en la microestructura, partículas contaminantes,
depósitos corrosivos, etc.
La microscopía electrónica de transmisión (Transmission Electronic
Microscopy, TEM) ilumina la muestra con un haz de electrones de alta energía,
y centra los electrones transmitidos a través de una muestra muy delgada en una
imagen real, que se proyecta sobre una pantalla fluorescente o dispositivo
electrónico de imagen. Las imágenes TEM son proyecciones de dos
dimensiones en la muestra de tres dimensiones (aunque muy delgada). El TEM
se usa principalmente para imágenes de alta resolución y cristalografía, pero no
es en general utilizado en los análisis de falla
f alla de componentes mecánicos.
Para estructuras relativamente grandes u homogéneas, la delgada muestra TEM
puede considerarse una sección transversal de dos dimensiones, y su imagen
108
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
proyectada puede capturar la información necesaria. Sin embargo, las
estructuras más pequeñas que el espesor de la muestra pueden contener
información importante en la tercera dimensión (la dirección del haz) que no
pueden capturarse en una única proyección.
EJEMPLO 3.D Análisis en microscopio electrónico de barrido
Veremos aquí un análisis de falla donde
donde la información más relevante se obtuvo
en el análisis de SEM y EDS. Se trata de una fuga ocurrida durante la prueba a
alta presión al comienzo del servicio de un gasoducto de 12 ¾” diámetro. La
Figura 3.D1 muestra el defecto visto desde la superficie exterior del tubo. Del
lado interior no fue posible detectar la fuga en el examen visual.
Figura 3.D1 Defecto visto desde la superficie exterior del tubo
Se encontraron depósitos corrosivos sobre la superficie interior. Para
identificar alguna posible influencia de las condiciones químicas durante su
almacenaje o durante la prueba, se realizaron determinaciones de composición
química mediante EDX. Los resultados se muestran en la Figura 3.D2. Si bien
el depósito rojo muestra mayor densidad y adherencia, ambos son óxidos de
hierro normales en condiciones de medio ambiente atmosférico.
109
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 3.D2
Se realizaron observaciones mediante microscopía óptica y electrónica de
barrido (SEM), para determinar el estado del material y los defectos que
pudieron contribuir
contribuir a la ocurrencia de la falla.
falla. La composición de
de la Figura
3.D3 muestra el examen metalográfico de secciones cada vez más cercanas al
eje del cono de fuga. La banda vertical oscura es el metal de la soldadura (en
este caso por resistencia eléctrica, ERW). La Figura 3.D3.1 muestra un defecto
plano, de falta de fusión, sobre la superficie interior. La Figura 3.D3.3 muestra
que este defecto se junta con otro, un “cono” de mayor diámetro en la
superficie exterior. En esta sección el defecto es la combinación de ambos. No
hay ligamento en la zona media del espesor, y el cono exterior se une a la falta
de fusión interior.
110
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
1
2
3
Figura 3.D3
La composición de la Figura 3.D4 corresponde al análisis en SEM y muestra el
cono de fuga en la zona de mayor ancho y profundidad, donde el defecto es
pasante. La hipótesis más razonable para rusticar este defecto es que en el
camino de la junta hubiera quedado atrapada una inclusión no metálica de algún
tipo, proveniente de alguna impureza superficial o del interior del material de la
chapa.
111
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
󰁏
󰁁󰁬
Figura 3.D4
Para definir con mayor precisión el origen de la falla, se dispuso la realización
de análisis EDX de depósitos en el interior del cono y de la falta de fusión. La
Figura 3.D5 muestra los resultados de los análisis EDAX. Los resultados de los
barridos de Oxígeno y Aluminio se observan en los insertos en la parte superior
de la Figura3.D4. Los barridos de los demás elementos que aparecían como
posibles no dieron indicaciones detectables.
112
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Figura 3.D5
Se concluye que la falla se originó en una discontinuidad pequeña y aislada, una
inclusión no metálica con alto contenido de aluminio, probablemente una
inclusión de alúmina retenida en el metal durante la solidificación. Es un
defecto en el procedimiento de la soldadura. Este defecto no condujo a un
reventón por su pequeño tamaño, dada la ausencia de otras discontinuidades
discontinuidades en
la junta y la buena tenacidad y resistencia de la soldadura. Esta discontinuidad
pudo no haberse detectado durante la prueba hidrostática del tubo en planta
debido
de una eventual
fuga, pero debió haber sido detectada
durantealel escaso
ensayocaudal
no destructivo
en planta.
3.8 Análisis Fractográfico de extra - alta definición, nano dispositivos
Las técnicas avanzadas, tales como el microscopio electrónico de barrido de
extrema resolución (XHR SEM), la microscopía electrónica de transmisión, y la
microscopía electrónica de barrido de transmisión (S/TEM), permiten obtener
resolución sub-nanómetrica,
sub-nanómetrica, pero difieren ampliamente en
en la información que
proporcionan. La selección de la combinación de las técnicas que mejor se
ajuste a las necesidades analíticas del problema en cuestión requiere conocer a
las principales herramientas en el contexto de su principal capacidad:
•
sistemas SEM para barrido de superficies,
113
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
sistemas de haz de iones centrados (FIB) y de doble haz (FIB/SEM)
para representación de imágenes sub-superficiales, y
sistemas para análisis de imágenes a escala atómica (S/TEM).
Dos tendencias están impulsando la necesidad de imágenes de alta resolución
en el análisis de fallas de semiconductores. La primera y más evidente, ha sido la
implacable
reducción
de tamaño
de losde dispositivos
(semiconductores)
para satisfacer
la demanda
más potencia electrónicos
y menores
costos. Cuando las dimensiones de los dispositivos se medían en cientos de
nanómetros, la capacidad del SEM convencional era más que suficiente para
resolver las características de unos pocos nanómetros. Ahora, con dispositivos
de pocos nm en desarrollo, esos mismos pocos nanómetros constituyen una
fracción importante de la dimensión crítica.
La segunda tendencia ha sido el constante cambio en las causas de los defectos,
desde los defectos al azar causados por la contaminación que se originan en el
medio ambiente o equipo de procesamiento, hasta defectos sistémicos que se
derivan de la variabilidad en el proceso en sí. A pesar de que los dispositivos
más pequeños son vulnerables a las partículas más pequeñas, y que hay muchas
más partículas pequeñas que grandes en el medio ambiente, los dispositivos y
los fabricantes de equipos son muy buenos en la reducción de la contaminación
como fuente de defectos.
La variabilidad del proceso se manifiesta típicamente como variabilidad
dimensional en las estructuras críticas, lo que multiplica la necesidad de
precisión de imagen basado en la metrología para apoyar los procesos de
control más estrictos. No basta simplemente con ver un defecto "asesino" de
10nm en una línea de 22 nm. El ancho y el grosor de esa línea puede que tenga
que controlarse en el orden de menos de un nanómetro.
Figura 3.10 Microsocopía
electrónica sub-nanométrica
de barrido de bajo voltaje (XHR SEM)
con resolución
114
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Durante muchos años, el SEM ha desempeñado un papel principal en la
revisión de defectos y control dimensional (CD-SEM) en el proceso de
fabricación, así como el análisis de falla de los paquetes de piezas.
Vimos que se considera al SEM como una técnica de representación de
imágenes superficiales. La definición práctica de "superficie", sin embargo,
depende adeuna
la aplicación.
haces de electrones
de altay por
energía
penetran ende
la
muestra
profundidadLos
determinada
por su energía
la composición
la muestra. A medida que penetran, se dispersan y propagan a lo largo de una
región conocida como la interacción de volumen, el volumen de donde las
distintas imágenes se originan. En última instancia, la resolución del SEM está
limitada por el tamaño del volumen de interacción.
Para analizar nano-componentes, este volumen puede reducirse mediante la
reducción de la energía del haz. Sin embargo, los SEM convencionales no
pueden enfocar los electrones de baja energía en un haz lo suficientemente
pequeño y, por tanto, el diámetro del haz se convierte entonces en
consideración limitante. Un haz de baja energía ofrece otras ventajas en
aplicaciones de semiconductores. Reduce el riesgo de dañar el delicado circuito
de elementos
puede reducir
o eliminar
cargas espurias
que lainterfieren
interfier
en con de
las
las
imágenes
y la ymedición.
Lo que
es más importante,
aumenta
especificidad
la imagen de los fenómenos de superficie críticos.
Figura 3.11 El análisis FIB y SEM provee imágenes de estructuras y defectos subsuperficiales
El SEM de extrema - alta resolución SEM (XHR SEM) es una nueva categoría
de SEM que ofrece una resolución de sub-nanómetros sobre toda la gama de
energías de haces, de 1 keV a 30 keV. Conserva la tradicional facilidad de uso
de
los SEM,
la flexibilidad
la manipulación
muestras yla un
mínimopara
de
requisitos
de preparación
de en
la muestra.
Además, de
proporciona
capacidad
115
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
investigar complejas superficies tridimensionales con una resolución subnanométrica. Igualmente importante, puede otorgar imágenes de superficies
específicas que no están disponibles en cualquier otra técnica de formación de
imágenes disponibles en la actualidad. La capacidad de SEM XHR de entregar
resolución de representación de imágenes sub-nanómetrica en toda la gama de
tensiones de haz, incluidas las tensiones superiores de gran utilidad para el
análisis con rayos X, hace que sea una plataforma analítica ideal.
El microscopio de haz de iones centralizado (FIB) es similar al SEM, salvo que
el haz de barrido esté formado por iones, por lo general de galio, que tiene
mucha más masa que los electrones. Como resultado de ello, el FIB puede
hacer recortes precisamente controlados en la muestra. Los sistemas de Doble
haz permiten SEM de alta resolución de representación de imágenes de la
superficie cortada por FIB.
La necesidad de ver las estructuras y los defectos por debajo de la superficie ha
aumentado, en la medida que las innovaciones en diseño y procesamiento, tales
como las múltiples capas de interconexión, han aumentado la complejidad
tridimensional de los circuitos integrados. Los sistemas FIB pueden realizar
cortes
transversales de
en lugares
específicos
su representación
y medición.
Los instrumentos
doble haz
puedenpara
proporcionar
alta resolución
de
representación de imágenes SEM de la sección transversal de la superficie. Las
técnicas de "Cortar y ver" pueden reconstruir un modelo detallado
tridimensional de una estructura o un defecto a partir de una serie de imágenes
obtenidas en los avances de la sección transversal a través de la muestra.
Con su capacidad de cortar con precisión los agujeros localizados, y depositar
materiales conductores y aislantes en patrones estrictamente controlados, el FIB
también puede servir para renovar un circuito integrado funcional. La edición
de este circuito permite a los fabricantes poseer la capacidad de confirmar la
validez de los cambios propuestos en el diseño del circuito, sin los gastos y
demoras de la generación de una nueva máscara y el tratamiento de un conjunto
de silicio nuevo. En el contexto de los análisis de falla sub-nanómetricos, la
contribución más importante del FIB es tal vez su capacidad para preparar
muestras ultra delgadas (menos de 100 nm) en un sitio determinado para
análisis TEM y STEM.
Recientes avances en la corrección de aberraciones han impulsado la resolución
de las imágenes de TEM en la gama sub-Angstrom,
sub-Angstrom, la escala de los átomos
átomos
mismos. Igualmente importante, los correctores de imágenes han simplificado
su interpretación. La información en las imágenes puede ahora interpretarse
directamente hacia el límite de información, eliminando la necesidad de
procedimientos complejos de reconstrucción de imágenes y la confusión acerca
de la resolución final del instrumento (para TEM corregido, la resolución de la
imagen = información límite).
116
Capítulo 3: Herramientas para el análisis microscópico de una falla mecánica
Los correctores de imagen también eliminan la deslocalización, simplificando la
interpretación de la información de la imagen cerca de discontinuidades en
estructuras periódicas, tales como defectos cristalinos, límites de grano,
interfaces y materiales.
Los avances en la preparación de la muestra han mejorado la facilidad, la
velocidadhabitual
y la fiabilidad
de los análisis
TEM,
hasta el punto
queofrecer
ahora los
es
práctica
para aplicaciones
de control
de procesos,
capaz de
primeros resultados en menos de dos horas, y un rendimiento superior a dos
muestras por hora. Igualmente importante, los avances en la automatización del
TEM y de los sistemas de control han eliminado o simplificado muchas de las
rutinas de alineación y procedimientos de ajuste de los instrumentos.
Las estructuras más pequeñas que el espesor de la muestra pueden contener
información importante en la tercera dimensión (la dirección del haz) que no
pueden capturarse en una única proyección. La tomografía de electrones revela
esta información mediante la combinación de varias imágenes adquiridas en
diferentes ángulos de visión en un detallado modelo tridimensional con
resolución casi - nanométrica. El TEM de energía filtrada (EFTEM) forma una
imagen
desde
los electrones
conla una
determinada
pérdida
de imágenes
energía,
proporciona
capacidad
analítica con
resolución
espacial plena
de las
TEM.
Figura 3.12 Imagen TEM de la estructura cristalina del Ga A
El microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) “escanea” o
barre un fino haz de electrones centrado sobre una
una muestra muy delgada
delgada y
construye una imagen a partir de las señales medidas en cada uno de los puntos
en el patrón de exploración. El proceso de construcción de la imagen es similar
al
SEM,
pero lasdebido
señales
imagen
los mecanismos
deescontraste
pueden
serdel
muy
diferentes
a lodefino
de laymuestra.
El STEM
reconocido
por
117
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
su capacidad de análisis de alta resolución, y en algunas aplicaciones sus
capacidades de representación de imágenes compiten o superan a las del TEM.
El STEM es conocido principalmente por su capacidad para proporcionar
resultados analíticos con muy alta resolución espacial. Como en un SEM, las
señales medidas en cualquier instante de tiempo llevan la información que es
específica reducen
de la ubicación
del haz.el Atamaño
diferencia
SEM, las muestras
muy
delgadas
drásticamente
de del
la interacción
de volumen
mediante la eliminación de la superficie difundida que se produce en muestras
globales. La resolución
resolución espacial
espacial para la obtención de imágenes
imágenes alcanza el
diámetro del haz. Con corrección de aberraciones, el STEM ha demostrado una
resolución espacial de hasta 0,5 Angstroms.
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CAPÍTULO 4
MECANISMOS DE DAÑO Y FALLA
4.1 Introducción
4.2
4.3 Mecanismos
Mecanismos de
de Falla
Daño en servicio
4.4 Corrosión
EJEMPLO 4.A Corrosión en tubos
t ubos de intercambiador
4.5 Propagación de fisuras, Fatiga
EJEMPLO 4.B Fuga por fatiga en un gasoducto
4.6 Daño por Hidrógeno
4.7 Daño por exposición prolongada a alta temperatura
EJEMPLO 4.C Incendio de horno de hidrocarburo
hidrocarburo
4.8 Fisuración Asistida por el Medio Corrosivo
EJEMPLO 4.D Fisuras en placa
placa tubo de intercambiador
intercambiador
4.9 Discontinuidades o defectos introducidos durante la fabricación
del equipo
BIBLIOGRAFÍA
4.1 Introducción
Los componentes o equipos sometidos a cargas mecánicas son diseñados para
un cierto período de funcionamiento seguro, es decir, que el riesgo probable de
una falla es aceptable. Esto establece un tiempo de vida útil de diseño del
componente. Las prácticas normales de ingeniería y los códigos de fabricación
suponen, durante la etapa de diseño, que actuarán sobre los componentes en
servicio ciertos mecanismos de daño que irán acumulando deterioro.
Prácticamente todos los materiales tienen reacciones con su ambiente, lo más
frecuente es que estas interacciones sean indeseables y den como resultado
pérdidas económicas. Por ejemplo, en las sociedades industriales más
avanzadas, la corrosión representa una pérdida económica anual de un 5% del
producto interno bruto. En Estados Unidos, eso significa más de 150 mil
millones de dólares cada año.
La acción de los mecanismos de daño puede inducir el crecimiento de defectos
o discontinuidades en el material durante el servicio a lo largo del tiempo. En
algunas ocasiones, prácticas inadecuadas de mantenimiento pueden producir
efectos indeseados, activando mecanismos de daño latentes. En este capítulo se
identifican los mecanismos de daño que actúan sobre las componentes
mecánicos y estructurales, ver Tabla 4.1.
119
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Tabla 4.1 Mecanismos de daño en componentes mecánicos y estructurales
Prácticamente todos los equipamientos industriales sufren deterioro como
resultado de las condiciones a las que se encuentran sujetos. Bajo condiciones
normales de operación este deterioro es usualmente, aunque no siempre,
gradual. Generalmente ocurre como una pérdida de espesor, y ocasionalmente
como un cambio químico ó estructural en el material dando como resultado un
debilitamiento o una degradación de sus propiedades mecánicas. Cuando un
equipamiento está sujeto a condiciones operativas anormales, como por
ejemplo bruscas variaciones de presión o temperatura, el deterioro puede ser
mucho más rápido.
Un Mecanismo de Daño puede definirse como el proceso capaz de introducir
un daño en un equipo durante el servicio. Vimos ya que una falla involucra la
inmediata salida de servicio del equipo, y suele ser el resultado de una
acumulación de daño hasta que el mismo alcanza un cierto valor crítico. Si bien
120
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
todas las fallas generan interrupción en la operación del equipo o elemento
fallado, su ocurrencia está asociada a pérdidas económicas o incluso de vidas
humanas.
Los mecanismos que generan una falla inmediata o catastrófica de un
componente estructural son:
•
•
•
•
•
•
•
deformaciones elásticas excesivas inducidas por fuerza
f uerza o temperatura,
pérdida del contenido (fugas),
fluencia y deformación plástica excesiva,
fractura dúctil,
fractura frágil,
incendios, e
inestabilidad elástica o dinámica.
Dentro de los mecanismos de daño en servicio que pueden eventualmente
llevar a la falla de un equipo se encuentran los siguientes:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
fatiga: alto ciclo, bajo ciclo, térmica superficial, por impacto, corrosión,
fricción, propagación de fisuras,
corrosión: generalizada, localizada, ataque químico directo, galvánica,
rendijas, picado, intergranular, selectiva, corrosión-erosión, corrosión bajo
tensiones, microbiológicas, bajo aislación, etc.,
termofluencia y relajación,
corrosión-fatiga,
fatiga-termofluencia,
daño por hidrógeno,
desgaste: adhesivo, abrasivo, corrosivo, deslizamiento, rodadura, cavitación,
fricción,
ataques superficiales: por gases ó líquidos,
otros específicos y casos especiales.
La Tabla 4.2 muestra la distribución de las fallas producidas por los diferentes
mecanismos de daño en Plantas Industriales del Reino Unido en los años 90.
121
Análisis de fallas – Fundamentos
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Tipo de Falla
Corrosión
Stress Corrosion Cracking (SCC)
Fatiga
Defectos en Soldaduras
Erosión
Fractura Frágil
Falla Mecánica
Creep
Sobrecalentamiento
Sobrepresión
Otros
Porcentaje
34%
22%
14%
8%
6%
3,5%
3,5%
2,5%
2%
2%
2,5%
Tabla 4.2. Distribución de fallas por tipo de mecanismo
4.2 Mecanismos de Falla
En los apartados siguientes se discutirán los modos de falla final que en mayor
medida pueden identificarse en cañerías y recipientes a presión, máquinas y
equipos mecánicos. Podemos aquí hacer una diferenciación. Algunos
mecanismos (fugas, incendio, etc.) pueden ocurrir bajo condiciones de
operación que no hayan variado significativamente, simplemente como
resultado de un mecanismo de degradación paulatina. Otros mecanismos, como
desgarro dúctil o fractura frágil, suelen ocurrir ante la aparición en algún
momento durante el servicio de tensiones superiores a las históricas hasta ese
momento. Estas variaciones pueden ser pequeñas, y estar aún dentro de los
parámetros admisibles de funcionamiento.
Pérdida sin Rotura: fugas de fluidos a presión. Afecta el servicio, pero sólo en
casos de alta toxicidad o inflamabilidad y representa un riesgo para la seguridad.
Es
más
probable
casos de
materiales tenaces y con tensiones aplicadas bajas
(baja
presión,
granenespesor,
etc.)
Fractura Frágil: es una fractura súbita bajo tensiones residuales o aplicadas, sin
una apreciable deformación y debido a la rápida propagación de una fisura. La
Figura 4.1 muestra fallas típicas producidas por fractura frágil. Su forma de
propagación a lo largo de planos cristalográficos ya fue analizada en el Capítulo
3. Los siguientes factores favorecen
f avorecen la ocurrencia de fractura frágil:
•
•
•
•
•
122
bajas temperaturas,
fisuras generadas durante la fabricación o en servicio,
altas deformaciones plásticas previas,
baja tenacidad del material (materiales antiguos),
concentración de tensiones debido a discontinuidades,
discontinuidades,
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
•
tensión residual existente en una discontinuidad.
Figura 4.1 Fractura Frágil
Excesiva Deformación Elástica: se produce, por ejemplo, cada vez que una
pieza que debe mantener sus dimensiones dentro de ciertos límites sufre una
deformación elástica que hace que aquellas excedan el valor admisible,
conduciendo a problemas de interferencia tales como atascamiento o a
deflexiones excesivas.
Inestabilidad Elástica: la forma más común de este modo de falla es la
constituida por el fenómeno de pandeo. Este fenómeno se produce cuando un
elemento estructural esbelto tal como una columna, recipiente o chapa se
somete a una
una carga
carga de com
compresión
presión suficientemente alta se
según
gún su eje
longitudinal.
Fractura Dúctil y Deformación Plástica Excesiva: constituye el modo de falla
mejor comprendido en un componente estructural y es la base del diseño
clásico de componentes estructurales. En efecto, dicho diseño tiene como
objetivo fundamental establecer las dimensiones de las secciones resistentes
necesarias para asegurar un comportamiento elástico de las mismas. Esto
significa en teoría que en ningún punto de una sección resistente se alcanza una
condición de fluencia, es decir de deformación plástica. Cuando la deformación
plástica alcanza la ductilidad del material en algún punto de la estructura, en ese
punto se inicia la fractura dúctil. La palabra dúctil como opuesto de frágil,
indica gran cantidad de energía acumulada y deformación plástica.
Como se viera en el Capítulo 2, las fracturas dúctiles en metales propagan a una
inclinación aproximada de 45 grados con respecto a la dirección de las máximas
tensiones aplicadas. Esto se debe a la física del proceso, según se verá más
adelante. A veces la fractura dúctil (también llamada desgarro dúctil) puede
123
Análisis de fallas – Fundamentos
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ocurrir en más de una etapa. Esto ocurre cuando, luego de una cierta
propagación, las cargas caen por efecto de la misma propagación de la fisura, al
mismo tiempo que la tenacidad del material aumenta debido a la deformación.
La Figura 4.2.a. muestra la sección transversal
transversal de una fractura dúctil que corre
paralela a una soldadura longitudinal en una tubería de gas (cordón a la
derecha). Nótense los marcados labios de corte y la contracción lateral.
Figura 4.2.a. Cross section de una fractura por desgarro dúctil
Inestabilidad Plástica: bajo ciertas condiciones, un material que ha alcanzado
la condición plástica puede inestabilizarse y conducir rápidamente a un colapso
plástico. Un ejemplo conocido de este fenómeno es la estricción que precede a
la rotura en el ensayo de tracción de un material dúctil (Figura 4.2.b).
Figura 4.2.b Inestabilidad Plástica
124
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
4.3 Mecanismos de Daño en servicio
El deterioro o degradación de las superficies de los componentes mecánicos y
estructurales es posible en contacto con un amplio rango de componentes
orgánicos e inorgánicos, con agua fresca o contaminada, con vapor o
simplemente con la atmósfera. La forma de deterioro puede ser química,
electroquímica,
mecánica, por
o una
combinación
crítica
de ellas.
Asimismo,
el
deterioro
puede acelerarse
temperatura,
tensión,
vibración,
altas
velocidades
ó irregularidades del flujo, entre otros factores.
La tasa de acumulación de daño es la velocidad con que la cantidad de daño se
acumula durante un tiempo determinado. Ésta depende principalmente de la
naturaleza del mecanismo, así como también de las condiciones a que la
estructura está expuesta. Veremos los mecanismos más usuales, aunque esta
lista es necesariamente parcial. Existe una gran cantidad de mecanismos de
daño. Comenzaremos por los más comunes en equipos estáticos, los daños por
corrosión y fatiga, y continuaremos en orden de especificidad, incluyendo luego
los mecanismos de daño relacionados con componentes de máquinas y equipos
rotantes.
4.4 Corrosión
La corrosión ha sido siempre un problema mayor en las industrias de procesos
químicos, extracción y transporte de gas y petróleo, en las estructuras navales e
incluso en construcciones civiles. A medida que las industrias
industrias han ido creciendo
y adoptando procesos modernos, los problemas de corrosión se han vuelto más
numerosos y complejos. La Tabla 4.2 muestra que el 56% de los casos de fallas
se relacionan con ambientes corrosivos.
Se define a la corrosión como el deterioro de material debido a reacciones
químicas o electroquímicas con el medio que lo rodea. La corrosión es un
proceso natural (termodinámicamente posible) que trata de revertir el proceso
de refinamiento del metal que se
s e produjo químicamente.
El proceso de corrosión es un proceso complejo que puede ocurrir en varias
formas y que está afectado por numerosas variables de tipo químico, físico,
electroquímico, mecánico y metalúrgico. La velocidad de corrosión está
influenciada por variables dependientes del material (composición química,
propiedades metalúrgicas, etc.) y debido a que la corrosión es un mecanismo de
ataque superficial, también está influenciada por variables dependientes de la
formación de películas superficiales en el metal (resistencia eléctrica, espesor,
composición, presencia de defectos, etc.). Por esto, una de las principales
características del mecanismo de corrosión es la inmensa variedad de
situaciones en las cuales dicho proceso puede ocurrir dependiendo de cada
combinación particular material específico/medio corrosivo.
125
Análisis de fallas – Fundamentos
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En general, todo proceso corrosivo involucra
involucra pérdida de material, pero la forma
de la cavidad generada varía grandemente con el tipo de corrosión, y colabora
en muchos casos para la identificación del mecanismo. En la Figura 4.3 se
indica esquemáticamente como se ve afectada la sección del componente
debido a algunos de los mecanismos más comunes de corrosión, que se
describen a continuación.
Figura 4.3 Formas de degradación por corrosión
Simplemente, la corrosión es la forma en que la naturaleza revierte un material
de un estado de energía más alto (acero u otro metal), hecho por el hombre, a
su condición básica (mineral natural), tal como fue hallado en la naturaleza. El
elemento hierro del acero se combina con la humedad o los ácidos para formar
otros compuestos, tales como óxido, sulfato, carbonato de hierro, etc. Alguna
forma y concentración de agua está en casi todos los medios y la mayoría
contiene cantidades considerables de impurezas y gases disueltos. Por ejemplo,
los gases ácidos de dióxido de carbono (anhídrido carbónico - CO2) y el sulfuro
de hidrógeno (ácido sulfhídrico - H2S) comunes en la mayoría de los
hidrocarburos, son altamente solubles y se disuelven rápidamente en el agua - la
cual tiende a bajar su pH. La capacidad de corrosión del agua es una función de
la cantidad de los gases que están contenidos en solución. Toda el agua con
valores bajos de pH se considera corrosiva al acero. Los valores más bajos
representan mayor acidez o capacidad de corrosión.
126
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
La corrosión en el acero empieza de manera muy agresiva, pero a menudo
reduce su acción, tan pronto como una película superficial protectora o
depósito de corrosión se forma sobre la superficie del metal. Por ejemplo, el
CO2 genera incrustaciones de carbonato de hierro, como un subproducto de su
corrosión. Esta incrustación cubre
cubre el metal y retarda la tasa de penetración de la
corrosión, lo cual tiende a retardar
retardar la acción de la corrosión.
corrosión. Sin
Sin embargo, si
este depósito
se raja continuamente
y es removido
por un
flexión
o por abrasión,
la corrosión agresiva
local continúa
en elmovimiento
área donde de
se
ha removido el depósito, lo cual origina picaduras profundas de corrosión, o
incluso fisuras.
Corrosión Galvánica: ocurre cuando dos metales distintos se unen
eléctricamente en el mismo medio corrosivo (Figura 4.4a). La fuerza impulsora
del ataque es la diferencia de potencial electroquímico entre los dos metales.
Como resultado, el metal más noble (cátodo) se protege y el menos noble
(ánodo) se corroe más rápidamente. La severidad del ataque por corrosión
galvánica está dada por: la diferencia de potencial entre los metales disímiles, la
conductividad eléctrica del circuito y la relación de áreas.
El mejor método
prevención
a través de posibles
un buen incluyen
diseño que
ponga de
en
contacto
metales de
disímiles.
Otrasessoluciones
el no
agregado
inhibidores al medio corrosivo y la eliminación del contacto eléctrico con la
utilización de juntas dieléctricas.
Corrosión Atmosférica: es quizás la forma más probable de ataque
generalizado en el exterior de componentes metálicos (Figura 4.4b). La pérdida
de espesor es uniforme, siendo ésta la corrosión más “benigna”, ya que es
predecible. Las variables más importantes en el proceso son: el tipo de
atmósfera (industrial, marina, rural), la humedad relativa, la temperatura
ambiente y la presencia de sales, sulfuros y suciedad. El método más eficaz
contra este tipo de corrosión sugiere una buena preparación de la superficie y la
aplicación de revestimientos apropiados.
127
Análisis de fallas – Fundamentos
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a
b
c
d
Figura 4.4 Mecanismos de corrosión
Corrosión Bajo Aislación (CUI): es un problema importante para
equipamientos a presión en refinerías y petroquímicas (Figura 4.4d). El efecto
de la presencia de la aislación es en primera instancia mecánico, ya que provee
un espacio anular en el cual el agua o la humedad se puede mantener en
contacto con el metal durante períodos muy prolongados de tiempo, con
acceso al aire (oxígeno) en forma ilimitada. El segundo efecto es que en su
composición contengan iones agresivos (Cl-, Br-, I-) que generen el medio
corrosivo para SCC.
Las áreas más propensas a sufrir corrosión bajo aislación son: ciclos frecuentes
de temperatura frío/caliente, parte inferior de recipientes horizontales, zonas
donde la barrera mecánica de protección atmosférica se encuentre deteriorada o
rota, venteos, las terminaciones de aislación en bridas, recipientes operando
entre –4ºC y 121 ºC de aceros al carbono donde las condiciones de operación
pueden causar condensación de humedad (paradas), equipos sujetos a recibir
salpicaduras de agua o vapor, equipos de trabajo intermitente con temperaturas
por encima de 100 ºC, etc.
Las medidas de mitigación incluyen la protección de la superficie mediante
recubrimientos/pinturas apropiados, realización de inspecciones periódicas y,
128
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
en algunos casos, el retiro de la aislación en las zonas donde la conservación del
calor no es un aspecto importante.
a
b
c
d
Figura 4.5 Mecanismos de corrosión
Picado o Pitting: es una de las formas corrosivas más peligrosas (Figura 4.5a).
Ocurre en áreas muy pequeñas de superficie, pero como el ataque es muy
rápido puede producir la perforación de la pared metálica. El ataque ocurre por
la acción de determinados iones (Cl-, SO 4--) que tienen la propiedad de romper
la película protectora de los metales localmente, exponiendo metal desnudo al
medio corrosivo. Por ello, los materiales que forman películas protectoras son
más susceptibles (aceros inoxidables, aleaciones de níquel, etc.). La Figura 4.6
muestra algunas formas y distribuciones típicas de picaduras por corrosión, y su
clasificación de acuerdo a ASTM G46.
129
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 4.6 Formas típicas de pits y densidades de picaduras por corrosión
Corrosión por Dióxido de Carbono: ocurre cuando el dióxido de carbono
(CO2) se disuelve en agua formando ácido carbónico (H2CO3), promoviendo
así corrosión generalizada y/o pitting en aceros al carbono. Los factores
f actores críticos
de este mecanismo son: la presión parcial de CO 2, el pH y la temperatura. Las
picaduras de la corrosión por CO2 (tienen fondo redondo y son profundas, con
paredes empinadas y bordes agudos. Las picaduras están generalmente
interconectadas en líneas largas, pero en ocasiones pueden ser individuales y
estar aisladas. Los fondos de las picaduras se llenarán con incrustaciones de
carbonato dedehierro,
un depósito gris de poca adherencia, el cual es un
subproducto
la corrosión.
Corrosión por Sulfhídrico: la corrosión por el gas ácido H2S genera una
picadura de fondo redondo y de profundos bordes biselados. Es usualmente
pequeña, ocasional y dispersa sobre toda la superficie del componente. Un
segundo agente de corrosión, generado por el H2S es la incrustación de sulfuro
de hierro. Las superficies y las picaduras quedan cubiertas con una incrustación
negra muy adherente. La incrustación de sulfuro de hierro es altamente
insoluble y catódica al acero y tiende a acelerar las tasas de penetración de la
corrosión. Un tercer mecanismo de corrosión es la fragilización por hidrógeno,
lo cual puede causar fracturas frágiles a partir de los pits, debido a la absorción
de hidrógeno y la pérdida de ductilidad del acero. A pesar que es un ácido
relativamente débil (cuando se compara con el gas ácido CO 2), pequeñas trazas
130
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
de H2S pueden generar corrosión cuando también esté presente alguna cantidad
traza de agua, y justifican programas de inhibición química.
Corrosión por Aminas: la corrosión por aminas se refiere a la corrosión
generalizada y/o localizada que ocurre principalmente en los aceros al carbono
en procesos de tratamiento por aminas. La corrosión no es causada por la
2
amina
en sí misma,desino
que es el resultado
los gases
ácidos
disueltos(CO
y
H
la degradación
de las de
aminas,
sales
calientes
de aminas
2S), productos
estables (HSAS)y otros contaminantes.
Corrosión por Rendijas o Crevice: ocurre en presencia de espacios pequeños
confinados (gaps), donde el medio corrosivo puede llegar a tener distintas
concentraciones que en su seno.
Erosión-Corrosión: la erosión es la remoción de material de la superficie
metálica debido a la acción de numerosos impactos individuales de partículas
sólidas o de un fluido (Figura 4.5b). Cuando la erosión se halla incrementada
por corrosión se denomina erosión-corrosión. Los factores más importantes
que influyen en el mecanismo son la velocidad, el tamaño y la forma de las
partículas,
la velocidad
del fluidopory la
el formación
mecanismodedemarcas
corrosión
La
erosión-corrosión
se caracteriza
con activo.
forma de
“herradura de caballo” sobre la superficie en la dirección del flujo. Las áreas
más propensas a sufrir este mecanismo son aquellas con alta velocidad de flujo
y alta turbulencia. Las formas de mitigación son: utilizar aleaciones resistentes a
la corrosión y/o alterar los procesos para reducir la corrosividad.
Ataque Intergranular:
Intergranular: este tipo de ataque corrosivo depende fuertemente de
la microestructura del material. El ataque se concentra en los bordes de grano
porque en general presenta una composición distinta de la del resto del material
(Figura 4.5c). Los aceros inoxidables y las aleaciones de níquel son los
materiales más susceptibles. La forma de prevenirlo es utilizar aceros de baja
aleación o estabilizados con elementos que formen carburos que no sean de
cromo, o utilizando tratamiento térmico post soldadura.
Dealeado: el dealeado es un mecanismo de corrosión selectiva (remoción) en
la cual uno o más elementos de una aleación son preferencialmente atacados
dejando una estructura porosa de más baja densidad (Figura 4.5d). Es típica de
la desincificación de los latones con más del 15% de zinc. Cuando se remueve
el zinc queda una matriz porosa y débil de cobre.
Sensitización: ciertos procedimientos de fabricación modifican la composición
local de la superficie, permitiendo que el medio corroa preferencialmente una
parte del mismo. Esencialmente se produce un fenómeno de corrosión
galvánica, donde las diferentes composiciones funcionan como materiales de
distinto potencial electroquímico. Un mecanismo de sensitización es el ataque
intergranular de soldaduras de aceros inoxidables. En los aceros austeníticos de
131
Análisis de fallas – Fundamentos
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tipo 304/18-8, 316, etc., que son expuestos a temperaturas entre 415 ºC y 815
ºC precipita el intermetálico Cr23C6 en los bordes de grano. Este carburo es muy
rico en Cr, y se lleva el Cr de las zonas adyacentes (Figura 4.7a). Éstas se
corroen preferencialmente, en una banda muy fina alrededor de los límites de
grano (Figura 4.7b). Normalmente esto se evita utilizando aceros de bajo
carbono o estabilizados con elementos que forman Carburos que no son de Cr
(Nb, Ti).
Figura 4.7 Sensitización
Corrosión Inducida por Microorganismos (MIC): el mecanismo de
corrosión microbiológica o corrosión inducida por microorganismos (MIC)
puede definirse como "aquellas formas de corrosión que son iniciadas o
influenciadas en su velocidad o extensión por la presencia o actividad de
microorganismos". Los microorganismos que forman parte del proceso de
corrosión microbiológica cubren un amplio espectro, pero tienen un factor
común y es que forman parte del ciclo natural del Azufre en la naturaleza, por
lo que este elemento juega un papel muy importante en el metabolismo de estas
bacterias. Es por lo anterior que las bacterias pueden clasificarse en dos grandes
grupos: sulfato oxidantes o sulfato reductoras.
Figura 4.8 MIC: ejemplos en varillas de bombeo en pozos de petróleo
132
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Las bacterias sulfato oxidantes toman parte en el proceso corrosivo por
oxidación del azufre y sus compuestos para formar sulfatos con la simultánea
producción de ácidos fuertes (ácido sulfúrico por ejemplo). Estas bacterias
requieren la presencia de oxígeno (obtenido del aire típicamente) para el
desarrollo de su metabolismo, por lo que también se las conoce como las
causantes de la corrosión microbiológica aeróbica. Las bacterias sulfato
reductorasEste
por elproceso
contrariosecompletan
cicloendelausencia
azufre al reducir
los sulfatos
sulfuros.
lleva a el
cabo
de oxígeno
o cona
concentraciones muy pequeñas del mismo, por lo que estas MIC se manifiestan
como picado.
La Figura 4.8 muestra varios ejemplos de corrosión influenciada
microbiológicamente (MIC). Cierta cantidad de forma de vida microscópica
está presente en muchos medios, particularmente los hidrocarburos no
tratados. Algunos organismos unicelulares son capaces de vivir en toda clase de
condiciones y multiplicarse con increíble velocidad - comúnmente se refiere a
ellos como bacterias o "bichos". Las bacterias están clasificadas de acuerdo a
sus requerimientos de oxígeno (O2): aeróbicas (requieren O 2), anaeróbicas (no
requieren O2) y facultativas (cualquier forma de requerimiento).
requerimiento). Algunas
bacterias
producen
ácidoscombinación
orgánicos odeenzimas,
generan
óxidos
de hierro generan
solubles H2S,
en agua,
o cualquier
lo anterior.
La MIC
es
muy agresiva y los componentes se corroen rápidamente.
La Figura 4.9b es un ejemplo de bacterias productoras de ácido (APB-Acid
Producing Bacteria). Las picaduras de la corrosión debido a las APB tienen las
mismas características básicas que la corrosión por CO2. Tienen paredes con
apariencia cavernosa, bordes cortantes y la base es generalmente estriada o
granulosa. La picadura no contiene depósitos.
Figura 4.9 (a) por bacterias sulfato reductoras, (b) por bacterias productoras de ácido
La Figura 4.9a es un ejemplo de corrosión por bacterias sulfato reductoras
(SRB-Sulfate Reducer Bacteria). Las SRB, aquellas que producen H2S
133
Análisis de fallas – Fundamentos
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probablemente causan más problemas a equipos en pozos petroleros que
cualquier otro tipo de bacterias. La corrosión debida a las SRB tiene las mismas
características básicas que la corrosión por gas ácido H2S. A menudo se asocian
con múltiples fisuras en el fondo del pit y túneles alrededor de los bordes
(picaduras dentro de picaduras), racimos de picaduras y/o anomalías inusuales,
como manchas brillantes en la superficie de varillas de bombeo. Las picaduras y
las fisuras son
resultadoel cual
del corroe
sulfuroy fragiliza
de hidrógeno,
subproducto
del
metabolismo
de lasel bacterias,
la superficie
del acero que
esté bajo la colonia.
Las bacterias sulfato reductoras son las que causan mayores problemas en
tuberías en refinerías y plantas petroquímicas. Éstas se encuentran
principalmente en el suelo y atacan a los componentes enterrados. Los otros
componentes propensos a sufrir este ataque son los sistemas de enfriamiento
por agua (intercambiadores de calor) y tanques de almacenamiento
Corrosión por corrientes parásitas: la corrosión por corrientes parásitas se
produce debido a corrientes eléctricas inducidas. Las picaduras por corrientes
parásitas son usualmente únicas y aisladas. Pueden causarse por conexiones a
tierra,
sistemas
de protección
cercanos,
etc.lisos
Los yarcos
originados
picaduras
profundas
de formacatódica
irregular,
con lados
bordes
agudos, dejan
y un
pequeño cono en la base de la picadura.
EJEMPLO 4.A Corrosión en tubos de intercambiador
El objetivo de este estudio fue determinar el origen y las características de las
fallas encontradas en tubos de un intercambiador, y definir las metodologías de
reparación, inspección en servicio o mitigación que permitieran minimizar las
probabilidades de repetición de las fallas y asegurar la integridad de los tubos.
La Figura 4.A1 muestra un diagrama esquemático de los tubos en el
intercambiador, que fallaron en los tramos horizontales al aparecer múltiples
fugas por picado por corrosión, ver Figura 4.A2.
134
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Figura 4.A1
Figura 4.A2
El gas que circula por el interior de los tubos es el de la descarga de una planta
compresora de gas natural y se encuentra saturado en agua. Se dispone de la
cromatografía del gas que circula dentro de los tubos y la composición de los
135
Análisis de fallas – Fundamentos
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depósitos encontrados en los separadores ubicados aguas arriba del
intercambiador.
La Figura 4.A3 (a,b) muestra cortes metalográficos en dirección longitudinal y
transversal de uno de los tubos. Se aprecia que la zona de menor espesor
coincide con la parte inferior de los tubos. Los pits de corrosión inician desde la
superficie interior,
y son simétricos.
un mecanismo
de
corrosión
sin componente
erosiva,Esto
quepermite
como identificar
hemos visto
produce pits
orientados en la dirección del flujo,
f lujo, ver Figura 4.A4.
simétric
rico
o
Pit simét
res
re
s ect
cto
o al
al e e
Zona de menor espesor
remanente
Figura 4.A3 Cortes metalográficos (a) longitudinal, (b) transversal
EROSIÓN
CORROSIÓN
pit
corr
rros
osió
ión
n sim
simét
étri
rico
co
pit de co
respecto de su eje
vertical.
Esta morfología se
denomina herradura
por erosión
Figura 4.A4 Cortes esquemáticos de un pit (a) corrosión (b) erosión
136
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
La Tabla 4.A1 muestra la composición química de los tubos. Se observa que se
corresponden adecuadamente
adecuadamente con las especificaciones de norma. La Tabla 4.A2
muestra la composición química de los tubos, mediante espectrometría y
microsonda.
Ante la confirmación de la existencia de azufre en los residuos, se hizo
reaccionar a los mismos con ácido clorhídrico. La formación de vapores de
ácido
(con olor a huevo podrido) confirma la presencia de sulfuros
en
los sulfhídrico
depósitos internos.
Elemento
Material
Intercamb. [%]
Especificación
ASME SA-214
[%]
Carbono (C)
0.02 – 0.03
0.18
Manganeso
(Mn)
0.45
0.27-0.63
Molibdeno (Mo)
0.22
---
Cobre (Cu)
0.13
---
Fósforo (P)
0.01
0.035 (Max.)
Azufre (S)
0.008
0.035 (Max.)
Cromo (Cr)
0.053
---
Níquel (Ni)
0.042
---
Tabla 4.A1 Composición química del material del tubo
137
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Depósito corrosivo
Interior
Exterior
Elemento %
Genera
l
Puntua
l
General
Puntua
l
Carbono (C)
1.73
0.42
0.91
10.4
Oxígeno (O)
36.39
34.23
34. 23
34.05
33.65
Aluminio (Al)
0.35
0.39
0.35
0.74
Silicio (Si)
0.49
0.39
0.62
0.67
Azufre (S)
1.96
2.13
1.60
1.68
Calcio (Ca)
-
-
0.54
0.54
Manganeso (Mn)
0.63
0.58
0.48
0.47
Hierro (Fe)
58.45
61.96
61.46
61.21
Tabla 4.A2 Composición química de depósitos internos y externos
Borde del pit de corrosión
Figura 4.A5 (X200) Inspección metalográfica del ataque corrosivo
138
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
El estudio permitió verificar que la composición del gas transportado y las
características operacionales del componente determinaron
determinaron los medios
propicios para la generación de pits de corrosión interna, que derivaron en la
perforación de la pared de los tubos. El gas de captación transportado por los
tubos dentro del intercambiador se encuentra saturado en agua y posee
concentraciones de ácido sulfhídrico. La inspección metalográfica (Figura 4.A5
X200) permitió
constatar no
quese el
ataque ningún
corrosivo
no siguió
ningunacon
fase
metalográfica
preferencial;
evidencia
problema
relacionado
la
metalurgia de los tubos.
La ubicación de los pits permitió además relacionar el problema a las paradas
durante épocas invernales. Las paradas determinaron la formación de
condensado de agua en el intercambiador, situándose en las partes más bajas de
los tubos, lo que generó la perforación preferencial siguiendo una generatriz. El
agua retenida se saturó en ácido sulfhídrico generando dos procesos corrosivos
que actuaron al mismo tiempo:
A – ataque por ácido,
ácido, y
B – corrosión por celda aireación diferencial.
El ataque generado por el ácido es regido por la ecuación H 2S + Fe  H2 +
FeS,
sido el sulfuro
de hierro detectado
en corrosión
el residuo por
de corrosión
con lahabiendo
caracterización
por Microsonda
EDAX. La
celda de
aireación diferencial es generada por diferentes concentraciones de oxígeno
presentes en las zonas con retención de líquido. La parte superior del tubo está
expuesta a altas concentraciones de oxigeno y actúa como cátodo en la celda,
mientras que la parte situada debajo del líquido retenido es deficiente en
oxígeno haciéndola actuar como ánodo, y por consiguiente, corroyéndose
creando como residuo óxidos de hierro.
Aunque la retención de líquidos y el rango de temperatura de trabajo
proporcionan el medio ideal para el crecimiento de colonias de bacterias, no se
detectaron evidencias de corrosión influenciada microbiológicamente (MIC) en
la morfología de los pits. Para descartar definitivamente este mecanismo de
daño sería recomendable el análisis mediante cultivos de bacterias del líquido
transportado por el gas.
4.5 Propagación de fisuras, fatiga
Los defectos preexistentes o fisuras dentro de un material reducen o
directamente eliminan el tiempo necesario para la nucleación o iniciación de
fisuras. Cuando el tamaño de una fisura es pequeño, su velocidad de
crecimiento también lo es, y ésta aumenta a medida que crece el tamaño de la
fisura.
La fisuración por fatiga es una forma mecánica de degradación que ocurre
cuando el componente se expone a tensiones cíclicas en un período de tiempo,
139
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
y a menudo resulta en una falla súbita no esperada. Estas tensiones pueden
provenir de cargas mecánicas, térmicas ó vibraciones cíclicas, y típicamente se
encuentran por debajo de la tensión de fluencia del material. Una
discontinuidad que actúa como concentrador de tensiones (típicamente talones
de soldadura) puede iniciar una fisura por fatiga bajo cargas cíclicas que puede
propagarse lentamente hasta alcanzar un tamaño crítico, a partir del cual crece
de
manera rápida pudiendo conducir al colapso casi instantáneo de la estructura
afectada.
Como ya hemos visto, salvo que estén degradadas por acción de golpes o
corrosión luego de la falla, las superficies de la fractura suelen indicar
claramente si la propagación es por fatiga. Las marcas de playa en las superficies
menos rugosas señalan posiciones sucesivas del frente de fisura. Esto permite
individualizar el o los sitios de iniciación de la propagación. Hemos visto
también que en algunos materiales es posible identificar el mecanismo de
propagación a escala microscópica. Los procesos de fractura dúctil en aceros
inoxidables, aluminios o soldaduras de aceros estructurales involucran un
proceso a nivel microscópico denominado estriaciones (marcas paralelas muy
pequeñas).
EJEMPLO 4.B Fuga por fatiga en un gasoducto
Un pinchazo poco común en un gasoducto se produjo por una fractura en la
soldadura longitudinal por doble de arco sumergido (DSAW),Figura 4.B1. Las
fisuras propagaron a partir de un defecto de soldadura interno de grandes
dimensiones, de casi un metro de longitud y 3 mm de profundidad, debido a
falta de la fusión. Lo que hace a esta falla particularmente interesante es que las
inspecciones de la línea no permitieron detectar el defecto, y no se descubrió
ningún indicio de daño por terceros en los casi 50 años de operación de la
tubería.
Afortunadamente, la falta de humedad en la zona y la rapidez del operador en
proteger la pieza permitieron recuperar las superficies de fractura en muy
buenas condiciones. La Figura 4.B2 muestra un tramo de la fractura, cercana a
la iniciación de la falla final. Se indican:
1,2: zonas de propagación rápida inestable durante el reventón,
3,4: superficies de propagación en servicio, suaves y con marcas de
playa,
5: superficie mecanizada del borde de la chapa, indicando defecto de
falta de fusión.
140
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Figura 4.B1 Fractura en gasoducto
Figura 4.B2 Detalle de fractura
Curiosamente para un gasoducto, se observa que las fisuras habían propagado
por fatiga durante el servicio. Normalmente las variaciones de presión en
cañerías que llevan gas natural son insuficientes para provocar fatiga. Se verificó
que se habían detectado pocos ciclos grandes de presión durante los últimos 5
años de servicio, aparentemente representativos de toda la vida en servicio del
gasoducto.
141
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 4.B3 Zona de iniciación de fractura
Se decidió realizar un modelo de propagación por fatiga a partir del defecto
interno de falta de fusión. La Figura 4.B3 muestra una sección pulida y atacada
de la zona de iniciación. La traza de la fractura se observa vertical a la derecha
de la foto. En la Figura 4.B4 se esquematizan las zonas identificadas en la
Figura 4.B3. Nótese que el defecto de falta de fusión se debe a una
desalineación severa de ambas soldaduras, aunque mayor en la pasada realizada
desde el interior (parte superior de la Figura).
Figura 4.B4 Detalle de estado tensional en soldadura
La traza de la fractura incluye la zona de falta de fusión, y la zona propagada
por fatiga. Los ligamentos cercanos a ambas superficies del tubo presentan
fracturas muy inclinadas respecto del espesor. Esto se debe a la dirección que
tomaron las tensiones circunferenciales en esos ligamentos, ver Figura 4.B4.
142
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Figura 4.B5 (a, b. c, d) Modelo de sucesión de eventos
La Figura 4.B5 (a) muestra una composición fotográfica del defecto iniciador de
la fractura. Se indica la mitad del defecto, que es casi simétrico; la superficie
interna del tubo se indica en la parte superior. Nótese que la escala horizontal es
100 veces menor que la vertical (el defecto es muy largo y poco profundo). La
Figura 4.B5 (b,c,d) muestra el modelo de la sucesión de eventos durante la vida
del gasoducto, las flechas indican, en cada caso sentido de propagación del
frente de fisura. Primero, la fisura se hizo pasante en la superficie interior de la
pared del tubo, y luego (probablemente muy poco tiempo antes del reventón
final) penetró la superficie exterior. En ese momento la criticidad de la fisura
aumentó considerablemente (según se verá en el Capítulo 9), ocasionando la
rotura final. No hubo tiempo, por lo tanto, para detectar una eventual fuga de
gas a través del defecto pasante.
La Figura 4.B6 (a,b, X10.000) muestra a grandes aumentos la superficie de la
zona de propagación por fatiga. La fisura propaga de izquierda a derecha
(nótense las estriaciones paralelas equiespaciadas). Se puede definir un
espaciado entre estriaciones de entre 0.1 y 0.3 micrones. Con este dato
experimental pudo determinarse el número y la magnitud aproximados de los
143
Análisis de fallas – Fundamentos
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ciclos de presión que condujeron a la propagación del defecto interno hasta
hacerse pasante.
Figura 4.B6 Superficie de zona de propagación por fatiga
Pruebas experimentales de fatiga se realizaron para caracterizar la propagación
de las fisuras por fatiga en metal de la misma soldadura en zonas no falladas. Se
observó que relativamente pocos ciclos de gran amplitud (arranque y parada,
cero
a presión
máxima)entre
fueron
suficientes
para propagar
la fisuradedefractura
la esta
manera.
El espaciado
estriaciones
medido
en la superficie
pudo relacionarse con la magnitud de los ciclos de presión que los provocaron,
utilizando criterios de Mecánica de Fractura (según se verán en el Capítulo 6).
Se descubrió que en la vida temprana de la línea debieron haber ocurrido
muchos más ciclos grandes de presión que los supuestos.
4.6 Daño por hidrógeno
El término daño por hidrógeno cubre toda una variedad de mecanismos de
degradación de las propiedades mecánicas en los aceros, a partir de la adsorción
y difusión de hidrógeno atómico. El daño por hidrógeno en servicio puede
clasificarse en tres formas o mecanismos, los cuales se describen a
continuación:
144
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Blistering (Ampollado): este fenómeno se manifiesta por la aparición de
ampollas en la superficie del material; en un corte transversal a la ampolla se
observa la presencia de fisuras generalmente próximas a la superficie, en general
con aspecto escalonado. Una característica de este mecanismo de daño es que
las fisuras tienen una importante componente en el sentido del espesor de la
pared (Figura 4.10a). Este tipo de daño es particularmente grave en equipos que
2
2), es decir
contienen
ácido elástico
sulfhídrico
S), aunque
está generalmente
a equipos
con bajo límite
(60 (H
Kg/cm
aceros de bajalimitado
resistencia.
Estos
aceros presentan en general una microestructura ferrítico-perlítica y
generalmente un “bandeado” paralelo al plano de laminación. Estas bandas
presentan normalmente una fuerte segregación de Mn y P e inclusiones no
metálicas de MnS. La interfase matriz/inclusión es el lugar preferencial para la
iniciación de las fisuras que producen el ampollado.
El Blistering es probablemente el menos peligroso de los tres casos ya que no
presenta peligro de rotura catastrófica al ser fácilmente detectable mediante la
inspección visual del equipamiento.
Ataque por hidrógeno: este tipo de fragilización se presenta en aceros
expuestos
medios
a presiones
y temperaturas
elevadas
(mayores a a200
ºC). Encon
estehidrógeno,
caso los aceros
sufren una
marcada reducción
de
resistencia y ductilidad, y se produce una decarburización del acero por
formación de metano a expensas de la cementita presente.
El hidrógeno atómico se puede difundir a través del acero donde reacciona con
los carburos de hierro (cementita), para generar metano:
Fe3C + 4H ⇒ CH4 + 3Fe
Como la molécula de metano (CH4) no puede difundir a través del acero por su
tamaño, se acumula generando grandes presiones que conllevan a la formación
de fisuras intergranulares (Figura 4.10b). Este mecanismo lleva a una pérdida de
la ductilidad en el acero de carácter irreversible. Los factores que influyen en
este tipo de ataque son la temperatura y las tensiones. La temperatura es
importante porque favorece la difusión de hidrógeno y las tensiones generan
esfuerzos extras a las generadas por la presión de metano.
Así, el ataque por hidrógeno es básicamente un mecanismo de decarburización,
en el que la difusión del hidrógeno al seno del metal conduce a una reacción
interna con la formación de fisuras que producen la rotura del componente.
145
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 4.10 (a, b, c, d) Daño por hidrógeno
Fragilización por hidrógeno en solución sólida: este modo de daño es
probablemente el más peligroso y el menos conocido en lo referente a su
mecanismo. Los factores condicionantes son: las características metalúrgicas del
material, el nivel de tensiones de tracción, la concentración de hidrógeno y la
temperatura de servicio (Figura 4.10c).
Las microestructuras de temple son altamente susceptibles, en especial las
soldaduras y zonas afectadas por el calor. Una regla práctica, muy difundida en
la industria, indica que para evitar problemas de fragilización por hidrógeno no
debe
superarse
un valor (PWHT)
de durezasidees22efectivo,
Rc ó 200tiende
HB (Brinell).
térmico
post-soldadura
a reducirEllastratamiento
tensiones
146
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
residuales y la dureza de las zonas afectadas por el calor. La concentración de
Hidrógeno capaz de inducir este fenómeno es en general muy baja (del orden
de 1 ml por cada 100 gramos de acero). La Figura 4.11 muestra fisuras por H
paralelas al bandeado microestructural. La fisuración por hidrógeno tiende a
producirse en límites de grano, inclusiones y otras partes menos débiles de la
microestructura.
Figura 4.11 Sensibilidad microestructural en la fisuración por hidrógeno
4.7 Daño por expos
exposición
ición prolongada a alta
alta temperatura
Creep: a altas temperaturas los componentes pueden deformarse lenta y
continuamente bajo carga menor a la tensión de fluencia del material. Esta
deformación, dependiente del tiempo y la temperatura, se conoce con el
nombre de Creep. Para los materiales metálicos y los cerámicos, la deformación
por Creep se torna significativa por encima del rango de temperaturas de 0,3 a
0,6 de la temperatura absoluta de fusión del material.
Generalmente un incremento cercano a 120°C o un incremento de 15% de la
tensión pueden disminuir la vida remanente a la mitad o menos, dependiendo
de la aleación. La adecuada selección de materiales para servicio a alta
temperatura es un factor esencial en el diseño resistente al Creep. En general,
las aleaciones metálicas empleadas contienen elementos tales como Cr, Ni, y Co
en distintas proporciones según las características específicas buscadas. El
fenómeno de Creep puede conducir a excesivas deformaciones plásticas o
culminar en la rotura de un elemento estructural (Figura 4.12).
147
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 4.12 Creep
Figura 4.13 Microestructura de envejecimiento por Creep
La Figura 4.13 muestra un ejemplo de envejecimiento por Creep en aleaciones
de cromo-níquel a altas temperaturas: (A) estado I hasta 600 °C; (B) estado II
de 600 a 700 °C; (C) estado III de 700 a 800 °C; (D) estado IV de 800 a 900 °C;
(E) estado V de 900 a 1000°C; (F) estado VI más de 1000°C.
Grafitización o descarburización: estos mecanismos de daño se caracterizan
por una progresiva remoción del carbono de la matriz, formando carburos y
dejando solamente una matriz de hierro. La descarburización puede ocurrir
durante una exposición a altas temperaturas, durante el tratamiento térmico, de
la exposición a fuego directo o de un servicio de alta temperatura en un
ambiente de gas. La Figura 4.14 muestra de izquierda a derecha:
a) placa de acero rolado ASTM A36, de 9.5 mm de espesor. La estructura
consiste en ferrita equiaxial (blanco) y perlita (negro). Nital. 250X;
b) placa de acero rolado ASTM A 36 de 25 mm de espesor. Se observa la
perlita y ferrita junto a algunas inclusiones de reducido tamaño;
c) grafitización en una placa de acero ASTMa A201 Gr.A después de 5
años de servicio a temperaturas de entre 595 y 650 °C. Nital 100X.
148
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Figura 4.14
EJEMPLO 4.C Incendio de horno de hidrocarburo
hidrocarburo
La degradación metalúrgica de los aceros estructurales por la elevada
temperatura y la acción de medios agresivos, tanto dentro como fuera de los
tubos, es la causa más común de fugas y explosiones de hornos de
hidrocarburos. En este ejemplo se determina la causa de la falla que originó el
incendio de un horno de calentamiento de combustible JP1. La falla se originó
en un tubo de las filas inferiores del horno, encima de uno de los quemadores.
La boca de la fuga muestra la típica forma de boca de pescado. Su diámetro es
del mismo orden que el del tubo. En las inmediaciones no se observan grandes
deformaciones radiales del tubo que indiquen gran deformación plástica previa.
El espesor nominal del tubo es de 6.85 mm. El menor espesor del tubo en la
zona de iniciación de la fractura es de unos 2.6 mm. La reducción de espesor se
hace más notable cerca de los extremos de la boca (las comisuras). La
propagación inclinada de la fisura respecto del espesor indica propagación
dúctil con fuerte
f uerte deformación plástica.
Se observaron con bajos aumentos una serie de fisuras secundarias
longitudinales y ramificadas a ambos lados de la fractura. El tubo muestra
depósitos gruesos, frágiles y oscuros sobre la superficie externa. Este depósito
frágil se hallaba cuarteado, indicativo de que el sustrato metálico sufrió
deformaciones plásticas importantes antes y durante la rotura que originó la
fuga. En la superficie
superficie interior no se observan depósitos
depósitos gruesos. Luego de la
limpieza de los depósitos se encontraron varias fisuras secundarias sobre la
superficie exterior. Se encontraron también defectos volumétricos sobre la
superficie interior, del tipo de picado o pitting. Algunos son equiaxiales y otros
alargados en la dirección del flujo, ver Figura 4.C1. La profundidad de estos
defectos no supera el mm.
En las muestras de los depósitos de corrosión de los tubos no se encontró
cloro pero sí gran cantidad de azufre, indicativa de sulfuros en los depósitos
internos, producto a su vez de la degradación del metal por acción del azufre
149
Análisis de fallas – Fundamentos
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que circula con el JP1. Las propiedades mecánicas del material no se hallan
excesivamente degradadas respecto de las especificaciones de norma. El acero
muestra buena resistencia y ductilidad.
Figura 4.C1
La Figura 4.C2 (X5) muestra la superficie de la probeta extraída del sitio de
probable iniciación de la fractura. A la derecha de la foto se observa la traza de
la fractura que originó la fuga. Se observan además otras fisuras iniciadas en
ambas superficies, notablemente abiertas debido a las grandes deformaciones
producidas durante la apertura de la fractura
f ractura principal.
Figura 4.C2 (X5)
Nótese una banda oscura adyacente a la superficie interior (parte superior de la
foto), y una banda clara adyacente a la superficie exterior. Estas bandas se
deben
a la carburizacion
del material
adyacente
a la superficie
interior,
a las
descarburización
en la superficie
exterior.
exterio
r. Estas bandas
se encuentran
en ytodas
toda
150
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
las secciones analizadas del lado expuesto al fuego, pero son más anchas y
severas en las secciones más cercanas al sitio de la fuga. La microestructura en
la superficie exterior muestra globulización de la perlita. La microestructura
cerca de la superficie interior, con mayor contenido de carbono, es
prácticamente 100% perlita. Las partes del tubo no expuestas al fuego no
presentan zona carburizada, y muestran la típica microestructura ferrítico
perlítica de un acero estructural.
La propagación de las fisuras mostradas en la Figura 4.C2 es de tipo
intergranular ramificada. Hay por lo menos tres fisuras principales: dos inician
en la superficie exterior, y la del medio inicia en la superficie interior del tubo.
En todas las muestras cercanas a la fractura se observa además una gran
cantidad de pequeñas fisuras iniciadas en la superficie exterior, también
intergranulares y ramificadas. La longitud de estas fisuras varía entre 50 y 200
micrones (0.05 a 0.2 mm), y se ubican completamente dentro de la zona
descarburizada, ver detalle de la Figura 4.C3 (X200).
Figura 4.C3 (X200)
En la Figura 4.C4 (X500) se muestra la banda carburizada en el fondo de un pit,
en la superficie interior del tubo. Se aprecian dos pequeños defectos que
propagan hacia el interior del espesor del tubo a partir del fondo del pit. Se
hallan llenos de productos de corrosión, lo que permite verificar que se
produjeron durante el servicio.
151
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 4.C4 (X500)
En la banda carburizada cercana a la superficie interior se observó también una
colonia de microfisuras paralelas a la superficie del tubo, ver Figura 4.C5
(X500).
longitud total
de la coloniano
es de
mm. La granplásticas,
apertura
de
estas La
microfisuras
probablemente
se menos
deba a de
las 0.2
deformaciones
producidas en dirección paralela a ellas, sino que es indicativa de un posible
proceso de ataque por hidrógeno.
Figura 4.C5 (X500)
Se concluye que la falla ocurrida se debió a la propagación de fisuras desde el
interior del tubo, debido a la degradación microestructural a alta temperatura
por carburización del acero en una banda cercana a la superficie
su perficie interna. Fueron
iniciadores mecánicos la concentración de tensiones en el fondo de pits, y daño
por hidrógeno. El pitting, del tipo corrosión-erosión o cavitación, está asociado
152
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
al flujo interno, favorecido por una alta concentración de azufre. El daño ha
sido probablemente acelerado por una mayor temperatura en los tubos
alrededor de los quemadores. Obtener una distribución homogénea de la
temperatura en los tubos es un aspecto clave del diseño y operación de este tipo
de hornos.
El daño microestructural
y la tuvieron
micro-fisuración
Creep importante
detectados en
en las
la
superficie
exterior de los tubos
sólo unapor
influencia
etapas finales de la propagación de las fisuras, acelerando la aparición de la fuga.
Los síntomas de daño por carburización, por picado interior o por hidrógeno
no son fácilmente detectables por los métodos habituales de inspección no
destructiva desde el exterior. La realización de una prueba hidrostática a una
presión lo suficientemente alta podría asegurar una vida remanente adecuada en
situaciones similares previas
previas a la aparición de la fuga. De esta y otras técnicas de
mitigación hablaremos en el Capítulo 9.
4.8 Fisuración Asistida por el Medio Corrosivo
Fisuración
Asistidaque
por describe
el Medio la
(Environment
Assisted
es un
término genérico
formación de
fisurasCracking,
causado EAC)
por varios
factores combinados con el medio que rodea al componente. Cuando el agua
(electrolito) entra en contacto con el acero, los minerales, iones y gases
presentes en el agua pueden atacar o corroer el metal. Estas reacciones químicas
o electroquímicas pueden derivar en una disminución de espesor generalizada,
pits de corrosión y/o fisuración. Para que el EAC se produzca, se deben
satisfacer 3 condiciones simultáneamente:
1. un medio agresivo en la superficie del componente,
2. una susceptibilidad del material y,
3. una tensión aplicada, superior a una tensión umbral y
frecuentemente involucrando componente dinámica o cíclica.
EAC es el término utilizado para describir fallas de componentes que ocurren
en servicio por crecimiento subcrítico de fisuras inducidas por un medio
corrosivo (ver por ejemplo Figura 4.4.d). Este fenómeno está asociado con la
combinación de tensiones mecánicas superiores a un cierto valor crítico, a
especies corrosivas específicas para cada material y en algunos sistemas, a
condiciones metalúrgicas que llevan al crecimiento de fisuras.
Sólo la combinación específica de un material y un medio específico producen
EAC. Un medio que produce EAC en un metal puede no producirlo en otro.
Existen una gran cantidad de mecanismos de fisuración inducidos por el
ambiente que dependen principalmente de la combinación Metal/Medio.
Asimismo, las fisuras pueden ser intergranulares o transgranulares,
transgranulares, y en general
son muy ramificadas. Existen dos mecanismos básicos: Corrosión Fatiga y
153
Análisis de fallas – Fundamentos
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Corrosión Bajo Tensiones (SCC), los que a su vez pueden dividirse en varios
mecanismos:
•
•
•
SCC por aminas
PASCC (Polythionic Acid SCC)
SCC por cloruros
•
•
•
•
Corrosión-Fatiga
SCC cáustico
SCC por amoníaco
SCC por carbonatos
La Tabla 4.3 resume los medios de mayor susceptibilidad a EAC para distintos
materiales de uso habitual en componentes mecánicos. A continuación
describimos aquellos que por su frecuencia e importancia merecen ser
destacados.
Tabla 4.3 Susceptibilidad a EAC de componentes mecánicos
Corrosión Fatiga
Corrosión Fatiga ocurre cuando agentes corrosivos penetran dentro de fisuras
por fatiga. Estos agentes pueden acelerar la propagación. Las condiciones
químicas dentro de la fisura pueden ser mucho más agresivas que en la
superficie libre. Aún cuando la superficie del metal en el extremo de la fisura
puede ser pasivado
pasivado (al formarse
formarse una barrera de un óxido estable) el próximo
próximo
ciclo de carga puede romper los depósitos frágiles y reactivar el proceso. De
esta manera, Corrosión Fatiga resulta de la acción combinada de un ciclo de
tensión y un medio corrosivo que decrece el número de ciclos hasta la falla.
Comparado con la vida del ducto en ausencia de corrosión, el ambiente
corrosivo generalmente disminuye la vida del componente.
154
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Stress Corrosion Cracking (SCC) en componentes enterrados
La fisuración asistida por corrosión o Stress Corrosion Cracking (SCC), o su
inexacta traducción Corrosión Bajo Tensiones, involucra mecanismos
corrosivos y depende
depende tanto del medio agresivo como
como del estado ten
tensional.
sional. Las
tensiones tractivas provocan la apertura de las fisuras. Estas tensiones pueden
provenir deSCC
cargas
aplicadas
simplemente
debidas
a tensiones
residuales.
Entonces,
ocurre
bajo olaseracción
de tensión
de tracción,
mientras
que
corrosión fatiga lo hace bajo cargas cíclicas.
Dado que SCC se desarrolla lentamente, pueden existir en el componente
fisuras propagando por muchos años sin causar problemas operativos. Con el
paso del tiempo, estas fisuras individuales se hacen más largas y más profundas,
resultando que las fisuras de una colonia pueden eventualmente coalescer
formando fisuras más largas, que en algunos casos pueden conducir a la falla. Si
las fisuras están lo suficientemente espaciadas, puede ocurrir que primero
crezcan en el espesor hasta producir una fuga.
El fenómeno de SCC en ductos y otras estructuras enterradas es caracterizado
generalmente
como
de altodelpH”
y “SCC neutro”
refiriéndose
cony “pH”
al pH del medio
en la“SCC
superficie
componente
en la zona
de la fisura
no al
pH del suelo.
suelo. La característica más significativa para
para la identificación de SCC
en ductos es la aparición de colonias de fisuras paralelas en la superficie externa
del tubo. La Figura 4.15 muestra una falla a partir de fisuras de SCC en un
oleoducto. Estas fisuras son inicialmente invisibles al ojo desnudo, aquí
aparecen abiertas por deformación durante la rotura final. Las fisuras están
generalmente poco espaciadas, y varía tanto la longitud como la profundidad de
cada fisura.
Pese a que los ductos y otras estructuras enterradas están revestidos para
protegerlos contra la corrosión, siempre existe el riesgo que el metal quede
expuesto al medio que lo rodea. Para prevenir la corrosión de estos sitios donde
el revestimiento falla, se utiliza generalmente un método de protección catódica
mediante el cual se hace circular una corriente a través del suelo, dando a la
estructura un potencial catódico.
La solución carbonato/bicarbonato (CO3-HCO3) ha sido identificada como el
medio responsable del SCC de alto pH más probable. Este medio puede
desarrollarse como resultado de la interacción de iones hydrilos, producto de la
protección catódica, y el dióxido de carbono (CO 2) en el suelo, proveniente
generalmente de la descomposición de materia orgánica. La protección catódica
hace además que el pH del electrolítico debajo del recubrimiento dañado se
incremente. El anhídrido carbónico se disuelve en este medio de alto pH,
resultando en la formación de un electrolito carbonato/bicarbonato
concentrado. El SCC de alto pH ocurre sólo en un estrecho y acotado rango de
155
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
protección catódica en la presencia de un medio carbonato/bicarbonato y con
pH superior a 9.
Figura 4.15 Falla por SCC en oleoducto enterrado
Bajo estas circunstancias se forma una delgada película protectora de la
superficie del caño (magnetita) a partir de la reacción electroquímica. Por ello,
donde hay SCC de alto pH no hay pérdida de metal por corrosión. Si esta
película pasivante no se rompe, el fenómeno de SCC no puede comenzar, dado
que esta película actúa como una barrera entre el metal y el medio. Pero si el
acero es sometido a alguna deformación, esta película, muy frágil, se quiebra
exponiendo el metal al medio. De esta manera, se permite que inicie el SCC. La
película protectora se forma nuevamente sobre las superficies antes expuestas,
restableciendo la barrera de protección. El proceso cíclico muestra que las
fisuras pueden arrancar y detenerse dependiendo del nivel de tensión o
deformación en el acero. Dado que toma tiempo para que la película se forme,
las fisuras pueden
sólo silalapelícula.
deformación
ocurre más rápidamente
que de
la
velocidad
a la cualcrecer
se forma
Consecuentemente,
la velocidad
deformación es una condición que determina el crecimiento de las fisuras en
SCC de alto pH.
El SCC de bajo pH o (neutro) se identificó por primera vez en un ducto
enterrado en 1980 en Canadá, en sectores en los que había agua con pH entre
5.5 y 7.5 atrapada debajo de las arrugas del revestimiento. El ambiente fisurador
es el agua del suelo que contenga dióxido de carbono disuelto proveniente de
materia orgánica en descomposición. Este mecanismo ocurre con poca
corriente en la superficie por tiempo prolongado, ya sea por un suelo muy
resistivo, un recubrimiento que produce apantallamiento o por problemas en el
sistema de protección catódica.
A diferencia del SCC de alto pH, las fisuras suelen iniciar en pits de corrosión
sobre la superficie del acero, dentro de los cuales se genera un medio que posee
un pH suficientemente bajo para producir hidrógeno atómico en la picadura. El
156
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
hidrógeno que entra al acero degrada las propiedades mecánicas localmente,
por lo que las fisuras son iniciadas o crecen por la combinación de disolución y
fragilización por hidrógeno.
Hay muchas similitudes entre estos los mecanismos de SCC de alto y bajo pH.
Ambos se manifiestan como colonias de múltiples fisuras paralelas sobre la
superficie del ducto, generalmente perpendiculares a las mayores tensiones.
Entre
lasdediferencias
obvias encontramos
sensibilidad
a la temperatura
del
SCC
alto pH, lamás
morfología
fractográficalay el
pH del medio
en contacto
con la superficie del ducto. Una diferencia entre el SCC de alto pH y el cercano
a neutro es la forma en que crecen las fisuras. En el SC de alto pH, las fisuras
suelen propagar de manera intergranular y ramificada, dado que los bordes de
grano son más susceptibles a la disolución.
En el SCC neutro, las fisuras propagan transgranularmente y suelen ser más
anchas que las de alto pH. La propagación transgranular de fisuras, si bien no es
común, también puede darse en el SCC de alto pH, especialmente cuando las
fisuras son profundas o son sometidas a altos valores de tensión o a tensiones
fluctuantes.
Fragilización Cáustica
Los aceros al C que operan en ambientes asociados con calderas, en particular
aquellos de alta resistencia, sometidos a tensiones de tracción y a un ambiente
que posee NaOH y temperaturas de 200 a 250°C, son susceptibles al SCC
Cáustico. Las sales solubles se pueden acumular en discontinuidades
superficiales, tales como las rendijas entre tubo y placa tubo, que justamente
corresponden a las zonas altamente tensionadas. La velocidad de propagación
puede ser muy alta, pero es difícil de determinar a priori debido a la naturaleza
del mecanismo de SCC. El mecanismo puede permanecer inactivo y, bajo
ciertas circunstancias, crecer rápidamente. Por ello el criterio de diseño es evitar
la iniciación de las fisuras.
f isuras.
EJEMPLO 4.D Fisuras en placa tubo de intercambiador
Aparecieron repetitivas fugas en las juntas entre los tubos de 40 mm de
diámetro y 5 mm de espesor y las respectivas placas tubo, ambas de acero de 35
mm de espesor, en intercambiadores secundarios en una planta petroquímica
(Figura 4.D1). Las condiciones de diseño son: agua en cáscara; 120 bar; 250°C;
gas craqueado en lado tubo; 7 Bar; 600 a 400°C. Las juntas tubo - placa tubo
son soldadas, con expansión previa y posterior. Las fisuras se desarrollaron en
las soldaduras de cierre circunferencial. Se identificaron las microestructuras y
composiciones químicas de las placas, se verificó su correspondencia con los
registros del fabricante y se evaluó su posible contribución a la ocurrencia de las
fallas ocurridas.
157
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 4.D1 Tubos de Intercambiadores
La iniciación de las fisuras se produjo en la zona de la raíz de las soldaduras, en
el
fondo de
la entalla
entre
tubo y placa
Figura
4.D2 (a,b)
muestra
secciones
pulidas
de los
intersticios
entretubo.
placaLatubo
y tubos.
Se aprecia
la
fisuración por efecto de rendija y concentración de tensiones en la raíz de las
soldaduras.
Figura 4.D2 (a, b) Fisuración de intersticios entre tubo y placa tubo
Su propagación es fuertemente influenciada por las características
microestructurales y mecánicas de la ZAC. La característica de la propagación
permite definir un mecanismo de fragilización microestructural. Una posible
causa de las fallas es corrosión bajo tensiones alcalina a partir del intersticio
158
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
entre tubo y placa tubo. Sin embargo, no se encontraron elementos cáusticos
dentro del intersticio.
La propagación última de las fisuras ocurrió por fenómenos de fatiga asistida
por corrosión o corrosión fatiga. La Figura 4.D3 es un detalle de la Figura 4.D2
(b). Se aprecian huecos o cavernas en los intersticios entre placa tubo y tubos y
dentrodepositadas
de las fisuras
efecto de las
corrosión
galvánica con partículas
de
cobre
pordebidos
el vaporaldentro
fisuras (contaminación
con cobre).
Este es un efecto adicional al efecto de rendija y concentración de tensiones en
la raíz de la soldadura.
Figura 4.D3 Fisuración por Fatiga Asistida por Corrosión
Las microestructuras bainíticas de las placas no falladas guardan una adecuada
concordancia con las especificaciones de temple y revenido del fabricante,
Figura
4.D2 (a).deEnmatriz
todasferrítica
las placas
falladasresistencia.
se observa,Lasendurezas
cambio,enuna
microestructura
de menor
las
ZAC de las placas falladas son además superiores a los de las placas no falladas
y a los valores especificados por los códigos; denotan escasa efectividad del
tratamiento térmico de alivio de tensiones. Las altas tensiones residuales en las
soldaduras tubo - placa tubo derivadas en un tratamiento térmico post
soldadura inefectivo y las altas tensiones mecánicas aplicadas en servicio
contribuyeron a la propagación de las fisuras.
f isuras.
4.9 Discontinuidades o defectos introducidos durante la fabricación del
equipo
Si
bien los del
métodos
fabricación
y ensayoslapreoperacionales
durante
la
fabricación
equipo de
reducen
sustancialmente
posibilidad de que
generen
159
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
una reducción significativa de su confiabilidad, recurrentemente se encuentran
algunas discontinuidades en equipos con muchos años de operación. Veremos
algunos de los más frecuentes.
Laminaciones / Exfoliaduras
Lasselaminaciones
ocurren en
el proceso
secundario.
Cuando
el acero
en bruto
no
curó a temperaturas
adecuadas,
quedan
atrapadas
burbujas
de aire
en su
interior. Cuando el acero es laminado para conformar chapas, estas burbujas se
“aplastan” y quedan “atrapadas” en el interior de la chapa, formando una
discontinuidad dentro del material.
El caso de las exfoliaduras es el mismo proceso de las laminaciones, solo que en
vez de aire o gases no deseados metales no deseados quedan atrapados en el
interior. La morfología es la misma que en las laminaciones.
Figura 4.16 Laminaciones/Exfoliaduras
Discontinuidades en soldaduras
Las soldaduras suelen presentar una variedad de discontinuidades geométricas,
metalúrgicas y mecánicas, debido al proceso mismo de fusión y resolidificación
localizada. En general, el tipo de defectos depende del proceso. Típicamente,
las cañerías y recipientes se sueldan por métodos de resistencia eléctrica (ERW)
o arco con aporte de material (electrodo revestido, arco sumergido, con
protección gaseosa, etc.).
160
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Una fracción importante de las fallas en equipos a presión se inicia en
discontinuidades en las soldaduras, que se transforman en defectos mediante
algún mecanismo de daño durante el servicio posterior. Como ejemplo, la
Figura 4.17 (X5) muestra la sección pulida y atacada de una soldadura por
resistencia eléctrica (ERW). Se observa en su parte superior la traza de una
fractura iniciada en defectos de stitching o falta de fusión localizada (ver
recuadro,
X100). 4.18,
Otro X5).
defecto
enque
soldaduras
ERW
la fisura en gancho,
o J crack (Figura
En típico
caso de
las chapas
queesconformarán
el caño
tengan laminaciones o exfoliaduras en los bordes a unir, éstos al abrirse en el
proceso de soldadura, se configuran en forma de“J”.
Figura 4.17 Microestructura de soldadura ERW
Figura 4.18 (a, b) Ejemplos de fisura en gancho en soldaduras ERW
161
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
A continuación se presentarán los mecanismos de daño que en mayor medida
pueden identificarse en soldaduras por arco, las cuales se encuentran
representadas en la Figura 4.19:
Figura 4.19 Defectos típicos en soldaduras de arco
Desalineaciones de componentes: cuando los ejes de dos componentes no
están en la misma línea o cuando una de sus caras es distinta a la otra, se
producen desalineaciones entre los componentes.
162
Capítulo 4: Mecanismos de daño y falla
Desalineaciones de soldaduras de doble arco sumergido: en el proceso de
soldadura de doble arco sumergido las “puntas” deben estar perfectamente
alineadas. Este proceso se hace mediante calibración del sistema. Las puntas
pueden desalinearse con el transcurso del tiempo o por golpes, produciendo
una soldadura desalineada con una morfología no deseada. Por este motivo a
veces las puntas no llegan a la raíz
raíz de la soldadura, produciendo
produciendo faltas de fusión.
Inclusiones o escoria: son los óxidos no metálicos que se encuentran a veces
en forma de inclusiones alargadas y globulares en los cordones de soldadura.
Durante la formación del depósito y la subsecuente solidificación del metal de
la soldadura, tienen lugar muchas reacciones químicas entre los materiales
(fundente), o con la escoria producida. Algunos de los productos de dichas
reacciones son compuestos no metálicos, solubles sólo en cierto grado en el
metal fundido. Debido a su menor densidad, tienden a buscar la superficie
exterior del metal fundido, salvo que encuentren restricciones para ello.
Porosidad: son los huecos globulares, libre de todo material sólido, que se
encuentra con frecuencia en los cordones de soldadura. En realidad, los huecos
son una forma de inclusión que resulta de las reacciones químicas que tienen
lugar
la aplicación
la soldadura.
deque
las inclusiones
escoria
en quedurante
contienen
gases y nodemateria
sólida.Difieren
Los gases
forman los de
huecos
se
derivan de los gases liberados por el enfriamiento del metal de la soldadura,
como consecuencia de la reducción de solubilidad al descender la temperatura y
de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la propia soldadura.
Falta de fusión: la falta de fusión se produce cuando el material de aporte no
funde el material base, quedando una discontinuidad entre el material base y el
de aporte.
Falta de penetración: esta expresión se utiliza para describir la situación en
que el metal depositado y el metal base no se
s e funden en forma integral en la raíz
de la soldadura. Puede ocasionarse porque la cara de la raíz de la soldadura de
ranura no alcanza la temperatura de fusión a toda su altura, o porque el metal
de la soldadura
soldadura no llega a la raíz de una soldadura
soldadura de filete, y deja el hueco
ocasionado por el puenteo del metal de la soldadura desde un miembro al otro.
Aunque la penetración incompleta puede deberse en unos cuantos casos a la
falta de disolución de los óxidos e impurezas de la superficie, las condiciones de
transmisión de calor que existen en la junta son una fuente más frecuente de
este defecto. La falta de penetración es indeseable, particularmente si la raíz de
la soldadura está sujeta ya sea a tensión directa o a esfuerzos flexionantes. El
área que no se funde permite concentraciones de esfuerzos que pueden resultar
en fallas sin deformación apreciable.
Rechupe: esto sucede cuando la soldadura es de gran tamaño y no hubo un
buen proceso de enfriado, por lo que la parte central se contrae y “rechupa”
hacia adentro.
163
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Socavadura: se emplea este término para describir:
a.la eliminación por fusión de la pared de una ranura de soldadura en el
borde de una capa o cordón, con la formación de una depresión
marcada en la pared lateral en la zona a la que debe unirse por fusión la
siguiente capa o cordón.
b.
reducción
de espesor
base, en la línea en la que se unió
porlafusión
el último
cordónendeellametal
superficie.
El socavamiento en ambos casos se debe a la técnica empleada por el operador.
Ciertos electrodos, una corriente demasiado alta o un arco demasiado largo
pueden aumentar la tendencia al socavamiento.
s ocavamiento.
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1987.
165
CAPÍTULO 5
ENSAYOS DE RESISTENCIA
AL DAÑO DE LOS MATERIALES
5.1 Ensayos químicos y mecánicos
EJEMPLO 5.A Tubo de inoxidable a temperatura
t emperatura
5.2 Temperatura de transición
transición dúctil frágil
5.3 Determinación experimental de la tenacidad a la fractura
5.4 Análisis por Espectrometría
Espectrometría y en
ensayos
sayos de dureza
5.5 Medición experimental de tensiones residuales
5.6 Determinación experimental de la resistencia al daño en servicio
5.7 Ensayos de vida a la fatiga
5.8 Técnicas de Monitoreo
Monitoreo de la corrosión
corrosión
5.9 Estimación de tensión umbral y propagación por SCC
5.10Resistencia al Creep y monitoreo del daño en servicio
BIBLIOGRAFÍA
5.1 Ensayos químicos y mecánicos
Los ensayos experimentales que veremos en este capítulo se refieren a aquellos
análisis químicos y mecánicos de los materiales involucrados en el elemento
fallado. En este contexto, llamaremos material a cada parte del componente que
sospechado de poseer propiedades particulares que puedan haber influenciado
en el mecanismo de falla. Estos incluyen, por ejemplo, materiales base, de
soldadura y de ZAC, de tratamientos superficiales, depósitos de corrosión, de
modificaciones microestructurales por temperatura o radiación, y en general de
cualquier transformación posiblemente ocurrida en servicio o como resultado
de alguna no conformidad durante la fabricación.
Para
definir
las características
y calidades según
del material
base Es
se importante
mecanizan
probetas
y se realizan
ensayos normalizados,
corresponda.
definir que norma se utilizará para definir las propiedades. En general, se
estipulan las normas elaboradas por la ASTM (American Standards for Testing
of Materials). Sin embargo, en algunos casos se estipulan otras, por ejemplo, la
resistencia de tuberías es habitualmente definida de acuerdo al criterio de API
5L, que
que difiere
difiere levemente de la definición de ASTM. Veremos estas
particularidades en las secciones correspondientes.
Las caracterizaciones químicas y mecánicas deben realizarse en laboratorios
especializados que acrediten las certificaciones correspondientes, tanto en lo
referido a la calificación de los operadores como a las calibraciones de los
equipos experimentales. Afortunadamente, en la región se cuenta con
laboratorios
en instituciones
oficiales
(Universidades,
Institutos
de
Tecnología) ycapacitados,
en instituciones
privadas (laboratorios
(laborato
rios
de ensayos). En
todo caso,
167
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
se deberá asegurar que el proveedor cuente con los equipos adecuados y con
certificados de calibración vigentes.
El detalle de los ensayos dependerá de las condiciones particulares y lugar de
origen de la falla. Típicamente,
Típicamente, ante una falla mecánica el protocolo
protocolo de ensayos
incluye:
a. Ensayos de impacto Charpy y correlaciones con Tenacidad,
Kic en material del ducto y en soldadura.
b. Ensayos de tracción de metal base, Curvas de Tensión vs.
Deformación verdaderas,
verdaderas, y en soldadura de tubo
tubo aledaño.
c. Mapeos de dureza de metal base y soldaduras, según
corresponda, en las zonas de inicio de la falla.
d. Análisis químicos
químicos globales por inter
interferometría
ferometría de chispa.
chispa.
e. Análisis químicos
químicos puntuales por mi
microsonda
crosonda EDS.
EDS.
Los resultados de estos ensayos son, en primer lugar comparados con lo
especificado en las normas aplicables y los certificados de
de fabricación. En
segundo lugar, son fundamentales en la ejecución de los modelos mecánicos,
que
Falla.permiten comprender la evaluación del mecanismo de daño y eventual
Hemos visto que la condición para un mecanismo de desgarro dúctil o un
mecanismo de fractura frágil suele requerir la aparición, en algún momento
durante el servicio, de tensiones superiores a las históricas hasta ese momento.
En otros casos, la falla final proviene de mecanismos de degradación que
alteran las propiedades del material mediante una modificación de su
microestructura (Creep, descarburización, carburizacion y diversas formas de
fragilización), o bien generan discontinuidades que reducen la resistencia de la
sección a las cargas mecánicas (fatiga, corrosión, etc.).
En el próximo capítulo veremos las bases y métodos para la realización de
modelos mecánicos analíticos de las solicitaciones a las que estuvo sometido el
componente fallado, en función de las condiciones de carga mecánica y efectos
del medio. De la contrastación de esos modelos con las propiedades reales de
los materiales en las zonas de interés, es posible verificar las condiciones que
dieron lugar al origen de la falla, su modo de propagación, y su relación con la
acción combinada de condiciones previas del material y las condiciones de
carga.
Resistencia a tracción y comportamiento
comportamiento elastoplástico
El ensayo de tracción uniaxial es muy conocido y ampliamente utilizado para
determinar propiedades
propiedades mecánicas de
de los materiales, Figura 5.1.
168
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
F
∆
l
Mordazas
móviles
F
3
σ3
l
2
Extensómetro
A
1
Mordazas
fijas
F
F
Figura 5.1 Disposición general del ensayo de tracción
La información que habitualmente se obtiene del ensayo de tracción es la fuerza
F que se aplica y el alargamiento 󲈆l que se está produciendo en una zona
calibrada de la probeta. Considerando que el incremento de longitud 󲈆l se
distribuye homogéneamente a lo largo de la zona de medida l, y que las
tensiones son constantes en la sección:
σ=
F
A
ε = ∆1 / 1
(5.1)
(5.2)
Para obtener una relación entre tensión longitudinal σ y la deformación
longitudinal ε, este cambio de escala conduce a un diagrama como el de la
Figura 5.2.
169
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
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σ
σin
G
F
H
C
D
B
A
a
σe
σEN
σP
σR
σF
E
E
ε
O´
O
0.002
εe
εp
ε
T
Figura 5.2 Diagrama tensión–deformación en el ensayo de tracción de un acero
El acortamiento en dirección transversal conlleva una disminución del área
transversal que instantáneamente irá tomando valores Ain (Ain < A). Esto da
lugar a un valor instantáneo de la tensión σin, de valor:
σ in =
F
Ain
>σ
(5.3)
Este valor se encuentra representado por la línea de trazo discontinuo en la
Figura 5.2. Sus discrepancias con σ son importantes en el rango elastoplástico.
Veremos cómo se pueden trazar los diagramas tensión–deformación
tensión–deformación
verdaderos, y determinar los coeficientes de endurecimiento
endurecimiento por deformación
plástica.
Mientras el diagrama tensión–deformación ingenieril se halla a la izquierda del
punto de carga máxima (punto G en Figura 5.2), la deformación elastoplástica
puede considerarse como constante en toda la sección calibrada L. Luego, la
deformación ingenieril se podrá calcular de la siguiente manera:
(Lfin - Linic)/Linic = Lfin/ Linic – 1
(5.4)
170
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
Este es un valor promedio basado en el desplazamiento final. Para puntos a la
derecha de carga máxima, la caída aparente de la tensión ingenieril se debe a
que en una sección de la longitud calibrada se ha producido una reducción
localizada de la sección, fenómeno denominado estricción. Para determinar la
deformación verdadera, debemos monitorear las secciones instantáneas durante
el ensayo. Esto puede hacerse con sensores colocados en la superficie de la
probeta.donde
Sin embargo,
a que
antes del ensayo
se desconoce
el lugar
exacto
ocurrirá ladebido
estricción,
normalmente
se realizan
varias mediciones
de sección
sección remanente
remanente durante
durante el ensayo, de
de forma manual. Por constancia
constancia de
volumen, sabemos que el aumento porcentual de longitud será igual a la
reducción porcentual de área, por lo que definimos a la deformación de
ingeniería:
εL = ∆l/l = = (Lfin/ Linic)/Linic = (Ainic – Afin)/ Ainic
(5.5)
Sabemos que la deformación real o verdadera, en cambio, está definida respecto
de la variación diferencial instantánea del desplazamiento,
desplazamiento, es decir:
dε = dL/L
por
lo que, integrando, obtenemos la deformación real en un momento dado
del ensayo:
ε = ln (Lfin/ Linic)
por lo que
ε = ln (εL +1)
(5.6)
Una forma usual de definir el comportamiento elastoplástico de un metal es a
partir de la definición de un coeficiente y un exponente de endurecimiento por
deformación. Las relaciones entre esfuerzo y deformación en la región plástica
del diagrama esfuerzo-deformación con valores reales puede definirse en forma
mediante una ecuación del tipo:
σ = σ0 εm
(5.7)
donde
σ = tensión real
σ0 = coeficiente de endurecimiento por deformación plástica
ε = deformación plástica real
m = exponente de endurecimiento por deformación
Hemos definido resistencia como la capacidad de un
un componente
componente para
soportar esfuerzos sin fallar. Con este ensayo podemos medir además otros
parámetros:
• Ductilidad: elongación y reducción de área a la rotura.
171
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
Tenacidad: energía necesaria para provocar
provocar la falla, y por ende es igual
bajo la curva tensión–deformación.
tensión–deformación.
Existen sin embargo otros métodos más precisos para determinar tenacidad,
que veremos luego en este capítulo.
Un aspecto importante
la determinación
la resistenciatodos
de unlos
material
es la
temperatura
de ensayo uenoperación.
A mayordetemperatura,
materiales
tienden a disminuir su resistencia tanto a la fluencia como a la rotura. En
aplicaciones para aceros a alta temperatura, se suelen utilizar elementos de
aleación como el Cr y Mo que reducen en cierto grado la caída de la resistencia.
En el siguiente ejemplo veremos un caso de un componente que falla debido a
este fenómeno.
EJEMPLO 5.A Tubo de inoxidable a temperatura
Este estudio fue realizado para determinar las causas que provocaron la
elongación longitudinal anormal en la cañería vertical de un reactor catalítico,
denominado
Stand Pipe,
funcionamiento
planta petroquímica.
Esta
cañería de longitud
de 16 en
metros
forma parteendeuna
un reactor,
y está suspendida
verticalmente del mismo. Fue reemplazo en 2003 de otra cañería similar que
debió sacarse de servicio
s ervicio por otros problemas. La cañería estuvo en servicio por
dos años hasta el momento de la reparación. Durante ese período se registraron
tres paradas del equipo. No existen antecedentes de este tipo de fallas en el
equipo, ni en esta cañería ni en la anterior, que había estado en servicio por 14
años.
La cañería se construyó en acero inoxidable AISI 304 H y está sometida a una
temperatura de servicio de 740 ºC en el exterior. El diámetro de la misma es de
20 pulgadas y el espesor es de 15.5 mm. En su interior posee un recubrimiento
de hormigón, acompañado de una malla metálica como soporte. El espesor del
recubrimiento no es constante; se midieron valores de entre 25 y 27 mm de
espesor. Por dentro contiene un catalizador cuya consistencia es similar a una
arena fina.
El problema se detectó originalmente en servicio debido a una excesiva
acumulación de deformación plástica. Esto obligó a efectuar una reparación que
consistió en cortar una rodaja en la parte inferior de la cañería. Al momento de
dicha reparación se habían registrado unos 12 cm de deformación, esto es, del
0.8 %. Esta deformación es cuatro veces superior a la deformación al límite
elástico. La cañería está
está suspendida verticalmente y soporta su peso, el del
del
recubrimiento de hormigón y el del catalizador, resultando una tensión aplicada
de 4 MPa.
172
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
Se realizaron ensayos mecánicos de tracción a partir de probetas obtenidas en
sentido longitudinal y circunferencial. El material del tubo tiene una tensión de
fluencia de entre 350 y 356 MPa, y una tensión de rotura de más de 700 MPa.
Su resistencia lo ubica muy por encima de los requisitos a temperatura ambiente
para un material A-213-GR TP 304H (205 MPa de fluencia y 517 MPa de
rotura). Sin embargo, esos resultados corresponden a ensayos a temperatura
ambiente.
ASME
la máxima
temperatura
dede
trabajo
deladmisible
material
304H
es deSegún
815 ºC.
A esaBPVC,
temperatura
la máxima
tensión
trabajo
es 9 MPa. Sin embargo, las normas alemanas establecen como máxima
temperatura de servicio para el mismo material en 570 C.
La Figura5.A1 muestra la variación de la tensión de fluencia y la tensión
admisible de acuerdo a las normas europeas y americanas. La resistencia
mecánica de este acero cae marcadamente con la temperatura. La última
temperatura de cada gráfico puede interpretarse como la temperatura máxima
admitida por cada norma para este material. La tensión admisible (ASME
BPVC) cae de 137 MPa a 15 MPa a 760ºC (cae al 10 %). La reducción de
resistencia no es lineal; la
la pendiente de la curva ASME
ASME cae notablemente a los
600ºC. Si por algún problema operativo la temperatura aumentara tan sólo un
10%,
pasara
de A740
ºC de
a 815
la tensión admisible
del material
caería
menosy de
9 MPa.
partir
aquíºC,
el comportamiento
del material
se hace
pocoa
predecible, y por eso la norma europea no permite el uso del material más allá
de esta temperatura.
La cañería estuvo en servicio por dos años hasta el momento de la reparación.
Durante el mismo período se registraron tres paradas del equipo. No existen
antecedentes de este tipo de fallas en el equipo, ni en esta cañería ni en la
anterior, que estuvo en servicio por 14 años. La temperatura se controla
mediante termocuplas, por tanto la temperatura de piel de tubo no es censada.
173
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 5.A1
Figura 5.A2
Las microestructuras en el interior de los granos muestran gran densidad de
bandas de deslizamiento. Esto indica que el material ha sido sometido a fuertes
deformaciones plásticas (Figura 5.A2). También se observan carburos
precipitados en los bordes de grano. La evidencia metalográfica muestra un
material sometido a fuertes deformaciones plásticas a alta temperatura. Vemos
entonces que la excesiva deformación se debió a que el material seleccionado
muestra una fuerte susceptibilidad al Creep o termofluencia a la temperatura de
trabajo. Debido al escaso daño microestructural observado, la ocurrencia de la
174
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
fractura por Creep requiere todavía muchos años de servicio. Sin embargo, la
ocurrencia de deformaciones plásticas no puede evitarse, si se mantienen las
actuales cargas de operación.
En la Figura 5.B3 se observa el comportamiento a la tracción longitudinal de
este acero. Como en todos los aceros austeníticos, la tensión de rotura es más
del doble de la tensión de
fluencia,
apartamientode
de ladeformación
linealidad en plástica)
la curva
tensión–deformación
(esto
es, lay elacumulación
comienza a tensiones menores que la tensión estándar del límite elástico (0,2%).
Figura 5.A3
Si
la temperatura
aumenta
por encima
de la900
ºC, laaplicada
tensióndebida
admisible
del
material
cae a menos
de 4 MPa
(valor de
tensión
al peso
propio del tubo, recubrimiento y catalizador). Las particularidades del acero del
tubo del reactor permiten sospechar que probablemente en nuestro caso la
caída con la temperatura de la resistencia sea mayor que la estimada en la
Figura5.A1. La evidencia muestra que la tensión admisible de este material es
menor que las tensiones aplicadas a la temperatura máxima de servicio.
Para la aplicación de este caso, las deformaciones plásticas representan una
limitación a la funcionalidad del equipo. Es posible que el endurecimiento por
deformación y la aparición de Creep secundario tiendan a reducir con el tiempo
la tasa de alargamiento. La ocurrencia de transitorios de arranque y parada
genera la reaparición de Creep primario y la aceleración del proceso de
deformación. Por eso es recomendable que el equipo funcione en régimen
permanente y evitar, si es posible, los ciclos de arranque y parada.
175
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
5.2 Temperatura de transición dúctil frágil
El caso de los barcos Liberty a mediados del siglo XX mencionado en la
introducción fue el detonante para la aparición de la disciplina denominada
Mecánica de Fractura. Incluso antes, la industria de la construcción de
estructuras y componentes que trabajan a baja temperatura había adoptado la
determinación
de ladesarrollado
tenacidad yinicialmente
de la temperatura
de transición
mediante
ensayo
de impacto,
por el científico
alemán
Charpy ela
fines del siglo XIX.
Actualmente es utilizado por todos los códigos de fabricación y se halla
normado en los Estándares de fabricación y en los documentos para la
evaluación de integridad y extensión de vida de equipos y componentes. Se
utilizan probetas prismáticas con una entalla central de dimensiones precisas,
que son golpeadas en su parte central por un péndulo o martillo con un radio y
ángulo de ataque determinado, Figura 5.3. Las probetas estándar son de 10.0 x
10.0 mm de sección, aunque pueden utilizarse menores (Subzise) en caso de
que el espesor de la pieza sea menor. El procedimiento se halla descripto en la
Norma ASTM E 23. Los resultados de los ensayos se interpretan en términos
de
energía
absorbida,
como
la determinada
de lael diferencia
entre ella ángulo
péndulo
libre
y el ángulo
alcanzado
una vez que
péndulo rompió
probeta.del
Figura 5.3
La Temperatura de Transición (Tt) es una propiedad de algunos materiales,
entre ellos y notablemente los aceros estructurales y los polímeros, que está
relacionada con la tendencia a la iniciación de la fractura. Cada uno de estos
materiales presenta una clara modificación en su tendencia a la rotura dúctil o
frágil a partir de un cierto rango de temperatura que depende del tipo de
material, su composición y su tratamiento térmico y mecánico previo. Por
debajo de esta temperatura (Tt), la rotura ocurrirá de manera frágil, exhibiendo
escasa o nula deformación. A una temperatura mayor a la de transición, el
material se comporta de manera dúctil. El comportamiento dúctil evidencia que
176
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
el material antes de la rotura experimenta una gran cantidad de deformación,
esto es, absorbe gran cantidad de energía.
Tabla 5.1
La Tabla 5.1 muestra que no sólo la temperatura favorece la ocurrencia de
fractura frágil. Ya habíamos visto el efecto del tamaño cuando analizamos el
fenómeno de los chevrones y los shear lips en la propagación instantánea de
una fractura (Capítulo 2). La tendencia de los materiales a la fractura frágil, en el
caso de altas velocidades de aplicación de la carga, es el fundamento del ensayo
Charpy que recién discutiéramos.
La Figura 5.4 muestra un comportamiento típico para materiales con transición
dúctil frágil. Corresponde a un acero proveniente de un gasoducto construido a
fines de los años 50. En este caso, la temperatura de transición se ubica
aproximadamente a unos -20 ºC.
Este cambio en la energía absorbida por el material está relacionado con
cambios en el mecanismo físico con el que las fracturas propagan en el material,
que se manifiestan en diferentes aspectos de las superficies de las fracturas,
como hemos visto ya en el Capítulo 3.
177
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 5.4
5.3 Determinación experimental
experimental de la tenacidad a la fractura
El ensayo Charpy permite caracterizar cualitativamente la tenacidad y la
temperatura de transición de un material. Sin embargo, para definir
cuantitativamente un valor de factor de intensidad de tensiones crítico KIC que
permita ser comparado con el factor aplicado Kapl (del cual hablaremos en el
próximo capítulo) se requieren ensayos especiales, o conversiones a partir de la
energía absorbida en el ensayo de impacto (CVN).
Figura 5.5
178
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
La medición experimental de KIC se realiza con probetas fisuradas, cargadas a la
tracción o a la flexión, ver por ejemplo la Figura 5.5. Las muestras pueden ser
de flexión en tres puntos (3PB, Figura 5.5a) o compactas de tracción (CT,
Figura 5.5b). Se mide la carga y el desplazamiento de la boca de la fisura (COD)
mediante dispositivos denominados clip gauges. Se carga la probeta hasta
detectar la propagación de la fisura, y se determina el valor de Kapl en ese
momento. Para
válidos, la Norma
exige
verificar
que las
dimensiones
de laobtener
probetaresultados
sean lo suficientemente
grandes
como
para asegurar
plasticidad en pequeña escala en el vértice de la fisura.
Sin embargo, la mayoría de los materiales actualmente utilizados en cañerías y
recipientes de presión poseen una tenacidad suficientemente grande como para
exigir el ensayo de probetas de enormes dimensiones. Es por ello que se ha
desarrollado otra metodología basada en un parámetro denominado J crítico, o
JIC. Este parámetro admite la existencia de plasticidad en gran escala en el
ligamento remanente, por lo que permite la utilización de probetas más
pequeñas. Las características de la probeta y del ensayo son similares a las de la
Figura 5.5. Se pueden obtener mayores datos sobre el procedimiento en la
Norma ASTM E1820.
La determinación de la extensión de la fisura en probetas de J IC requiere el
ensayo de probetas con idéntica longitud de fisura inicial, y cargarlas hasta
obtener distintas cantidades de propagación. La Figura 5.6 muestra como
ejemplo dos probetas, ya completamente fracturadas. Luego de los ensayos se
aprecia en la parte superior la superficie de la entalla mecanizada. La zona
rugosa oscura inmediatamente debajo corresponde a la fisura propagada por
fatiga previa para lograr la geometría previa al ensayo. Las marcas en forma de
media luna que continúan corresponden a la propagación de fractura durante el
ensayo. La probeta de la izquierda fue sometida a una mayor propagación de
fisura ∆a que la de la izquierda. La zona clara inferior es la fractura criogénica
luego del ensayo para separar
s eparar las dos mitades de la probeta.
El valor de J Aplicado a cada probeta es proporcional al área bajo la curva
carga-desplazamiento en cada ensayo.
ensayo. Una alternativa es el uso de una única
probeta, en la cual se mide la
l a propagación de fisura en forma indirecta; para ello
se mide la variación de rigidez mediante el uso de un clip gauge, Figura 5.7.
179
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 5.6
Figura 5.7
Una vez determinados los diferentes valores de J aplicado y la propagación de
fisura ∆a correspondiente, se grafican ambos valores (Figura 5.8). En teoría, la
extrapolación de la curva de regresión permite definir un J de iniciación para el
caso de propagación de fisura nula. En la práctica, este punto queda definido
por la intersección de la curva J-∆a con la así denominada blunting line, que
indica la extensión aparente de la fisura debida al redondeo de su vértice,
producto de las grandes deformaciones plásticas que se generan en esta zona.
Una vez determinado el JIC, el parámetro KIC se define en el rango lineal
elástico con la relación
KIC2 = JIC E / (1-ν2)
180
(5.8)
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
donde E es el módulo de Young (rigidez elástica) del material y ν es el
coeficiente de Poisson.
Figura 5.8
La fractotenacidad del material, KIC, puede también estimarse a partir de
correlaciones empíricas con el valor de energía absorbida en el ensayo de
impacto. Estas estimaciones son muy conservativas y proveen un límite inferior
para la fractotenacidad de los materiales en consideración. La correlación de
Roberts–Newton permite estimar un valor límite inferior de la fractotenacidad
de aceros ferríticos operando en la región de transición dúctil–frágil, de acuerdo
con la siguiente expresión:
KIC = 9.35 (CVN)0.63
(5.9)
donde CVN es la energía absorbida en el ensayo de impacto (Charpy) en ft-lb y
KIC es la fractotenacidad del material en Ksi(in)1/2. Otra relación entre la
energía Charpy y KIC, apta para aceros de media y alta resistencia por encima de
transición, es:
(K
/ σ ys ) = 5(CVN − σ ys / 20) / σ ys
2
IC
(5.10)
181
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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Aquí, σys es la tensión de fluencia o la tensión de flujo del material. Las unidades
son las mismas que en el caso anterior. En ambos casos, la conversión al
sistema SI es relativamente simple.
5.4 Análisis por Espectrometría y ensayos de dureza
Los análisis químicos de metales y otros materiales son casi mandatorios en
cualquier análisis de
de falla, pues permiten determi
determinar
nar la composición química de
las muestras y contrastar con Normas los datos del fabricante u operador. Se
genera un arco eléctrico o chispa en la superficie de la muestra que calienta una
pequeña porción de la misma (del orden del mm2) a una alta temperatura,
Figura 5.9. Con esto se excitan los átomos, que emiten una luz o resplandor
característico. Según a qué elemento corresponda el átomo, esta luz es emitida
en diferentes longitudes de onda, y se detectan y analizan por métodos
espectroscópicos. Otro método de análisis químico es la microsonda por
espectroscopía de Rayos X (EDX), que forma parte de las técnicas de
microscopía electrónica de barrido (SEM, (Capítulo 3).
Figura 5.9
La dureza se define como la resistencia de un material a ser penetrado por un
elemento duro y punzante, llamado indentador. El ensayo de dureza consiste en
la introducción de una punta indentadora de un material cuya dureza es mucho
mayor que la del material a ensayar y de una geometría conocida, mientras se
registra el máximo esfuerzo realizado y el diámetro de la impronta. Los ensayos
de dureza son muy antiguos, y hay varias versiones. Los más comunes son:
•
Brinell [HB]: es una bolita muy dura, del orden del mm de diámetro,
que es incrustada en el material, dejando una impronta semiesférica,
Figura 5.10.a. Originalmente era impulsada por un martillo. En los
182
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
•
•
métodos modernos es impulsada por una fuerza controlada o por una
energía cinética conocida. Existen equipos de laboratorio (fijos) y de
campo (portátiles).
Rockwell [HRC, HRB]: el indentador es una pirámide de diamante, que
se aplica por una carga de acuerdo al tipo de material. La carga aplicada
define el grado de dureza (los más comunes son B y C). Es un ensayo
de laboratorio. Una vez hecha la impronta, se mide su tamaño y se
compara con parámetros prefijados. A mayor impronta, menor dureza
del material.
Vickers [HV]: similar
similar al Rockwell,
Rockwell, pero las cargas y el tamaño del
indentador son mucho menores. La pequeñez de la indentación y la
precisión con que puede aplicarse hace a este ensayo muy útil para la
caracterización de diferentes fases en una microestructura, la definición
de tratamientos superficiales, etc. (Figura 5.10b). Es también un ensayo
de laboratorio.
b
Figura 5.10
La lista anterior es cronológica (por orden de aparición) y también por tamaño
de impronta (de mayor a menor). La dureza es una medida de la resistencia a la
indentación y al desgaste por fricción o rozamiento, por lo que los ensayos de
dureza son frecuentemente utilizados para caracterizar propiedades reológicas
de materiales y recubrimientos
recubrimientos superficiales.
En una parte importante de los análisis de falla, el interés de la determinación
de la dureza de los aceros
aceros al carbono estriba
estriba en la correlación
correlación existente entre la
dureza y la resistencia mecánica. Cuando las piezas obtenidas de una falla son
muy pequeñas como para mecanizar una probeta para un ensayo de tracción, o
cuando se requiere la estimación de resistencia en zonas posiblemente afectadas
por
ciclos térmicos
daño por
deformación
plástica, es usual recurrir al ensayo
de indentación
para oestimar
la resistencia
del material.
183
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Según distintas fuentes bibliográficas, las relaciones entre la resistencia de rotura
a la tracción y el índice de dureza Brinell para los aceros estructurales es:
Sut= 0.45* HB (kpsi) = 3.10* HB (Mpa)
(5.11)
Varios investigadores
investigadores reprodujeron la relación Sut =3.45 HB y, en base a la
recopilación
dey datos
de Figura
diferentes
presentan
la concordancia
cony
durezas
Brinell
Vickers,
5.11.trabajos,
Si bien existe
una relación
entre dureza
tensión de rotura, la estimación de esta relación presenta grandes márgenes de
error y variabilidad. La norma API 579 en su anexo F presenta una tabla que
provee una equivalencia aproximada entre la dureza y la S ut para aceros al
carbono y baja aleación en las condiciones de recocido, normalizado, templado
y revenido. Pero a altos y bajos valores de dureza y tensión, la relación no es
lineal, los datos son muy dispersos y las correlaciones lineales encontradas no se
ajustan adecuadamente.
󰁄󰁵󰁲󰁥󰁺󰁡 (󰁄󰁐󰁈)
Figura 5.11
Se desarrolló recientemente una evolución de este método para aquellos casos
en los que es imposible retirar el equipo de servicio para practicar ensayos
destructivos de tracción. Se denomina indentación instrumentada y consiste en
la medición del desplazamiento y fuerza a medida que se realiza una impronta
en el componente del cual se desea determinar el material. El equipo está
compuesto por la máquina que realiza el ensayo, una unidad de control y
adquisición de datos y un software para el procesamiento en PC. Las funciones
fundamentales
aparatodemedidor
son el control
del avance
elemento de
indentación endel
función
los parámetros
establecidos
por del
el operador,
el
184
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
tratamiento de las lecturas realizadas y el almacenamiento de las tensiones y
desplazamientos.
Este sistema mejora notablemente la estabilidad y repetitividad de la medición
respecto de los métodos tradicionales de dureza y entrega valores de resistencia
a la fluencia y rotura, y ductilidad. La explicación del método de indentación
instrumentada
conocimientos
modelado
mecánicodequeeste
se
presentan
en elrequiere
Capítulode6.ciertos
Por ello,
volveremosdecon
una descripción
método en el Capítulo 9.
5.5 Medición experimental de tensiones residuales
Las tensiones residuales (casi siempre generadas durante la fabricación o
servicio previo del componente) se caracterizan por actuar sobre el material aún
en ausencia de cargas externas aplicadas. Las tensiones
t ensiones residuales de fabricación
son mayoritariamente auto equilibradas en la sección y tienen una distribución
aproximada linealmente variable en el espesor. Dichas tensiones generan
mayoritariamente solicitaciones de flexión y abarcan pequeños sectores de las
piezas.
En los escasos
piezas
con elevados
grados las
de
embridamiento,
decir,donde
cuandosenounen
pueden
desplazarse
para acomodar
contracciones diferenciales, se pueden obtener tensiones residuales no auto–
equilibradas, que abarquen grandes sectores de las piezas.
El proceso de soldadura por fusión implica el aporte en el material base de un
cordón sólido que debe enfriarse desde la temperatura de solidificación hasta la
temperatura ambiente. Debido al coeficiente de dilatación térmica del material
aportado, durante este enfriamiento el cordón de soldadura tiende a contraerse.
Si las chapas soldadas tienen poca rigidez, se producen distorsiones. Si son muy
rígidas respecto del cordón, el material adyacente al cordón soldado debe
estirarse para acomodar el achicamiento del cordón, con lo cual aparecen
tensiones de tracción. Estas tensiones de tracción producidas durante el
enfriamiento de la soldadura pueden tener valores muy altos, tanto en sentido
longitudinal como transversal al cordón, pero son muy localizadas, típicamente
en una zona de pocos milímetros alrededor y dentro del cordón de soldadura.
Las tensiones residuales longitudinales a las soldaduras pueden llegar a ser del
orden de la tensión de fluencia de la chapa base y las tensiones residuales
transversales a las soldaduras son del orden de la mitad. Las tensiones
tensiones
residuales auto–equilibradas en el espesor se destruyen cuando comienza la
deformación plástica del material.
Para verificar el nivel de tensiones residuales realmente presente en un sector de
superficie de un componente se realiza la medición experimental. Para ello
existen varias metodologías, todas basadas en la remoción gradual de material y
la medición de las deformaciones que ello genera en la superficie de la pieza,
generalmente mediante extensometría eléctrica. Tal es el caso de los métodos
185
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
del mecanizado de la superficie, de la ranura y del agujero ciego. El método de
la ranura, por ejemplo, se basa en instrumentar con strain gauges en la dirección
de las tensiones a medir, y realizar una entalla adyacente en forma
perpendicular. A medida que se profundiza la entalla, el material adyacente es
relajado de su estado tensional y los extensómetros indican una relajación de
deformaciones, de modo que luego es posible estimar la distribución de
deformaciones
y tensiones presentes en el espesor del material antes de
mecanizarse
la entalla.
La Figura 5.12a muestra un dispositivo para la medición de tensiones residuales
mediante el método del agujero ciego. Se pega sobre la pieza, previamente
pulida, una roseta de tres strain gauges o extensómetros, Figura 5.12c. En el
centro de la roseta se comienza un agujero, y a medida que se va profundizando
(Figura 5.12b) se va midiendo la relajación del estado de deformaciones. Esta
relajación se relaciona luego con el estado inicial de tensiones mediante una
serie de ecuaciones.
󰁁
120󰂺
120󰂺
Agujero
ciego
󰁃
120󰂺
󰁂
Figura 5.12 (a, b, c) Medición de tensiones residuales por agujero ciego
186
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
Si se conoce la relación entre las tensiones y los desplazamientos en la pieza, no
siempre es imprescindible instrumentar con strain gauges. Por ejemplo, para
cuantificar las tensiones residuales en caños o recipientes cilíndricos se puede
llevar a cabo un análisis experimental sencillo, que implica cortar
longitudinalmente
longitudinalmen
te una virola o rodaja extraída del tubo y medir con precisión el
desplazamiento entre los bordes cortados, Figura 5.13. Este desplazamiento es
proporcional
a la distribución
tensiones
residuales en
paredand
del Strain,
caño. De
acuerdo
a la ecuación
definidadepor
Roark (Formulas
forlaStress
4º
ed.), la tensión residual máxima σR en la superficie externa es:
σR=E.δ.t/(Π.D2)
(5.12)
donde:
δ= distancia de separación entre las dos partes del caño
E= módulo elástico del acero
t = espesor de cañería
D= Diámetro de la cañería
Figura 5.13 Tensión residual circunferencial en tubería
Las tensiones residuales de fabricación suelen tener un rol protagónico en el
inicio de procesos de daño en servicio o en los procesos de fractura frágil. Por
ejemplo, para la construcción de tubos con soldadura longitudinal de cierre, el
fabricante coloca el fleje rolado en mordazas que arriman ambos extremos. Si
se suelda por ERW, se hace contacto eléctrico; si se suelda por DSAW, se
realiza el arco. Estos procesos generan desplazamientos perimetrales que
producen tensiones elásticas en el material. Parte de estas tensiones permanecen
luego del enfriamiento de la soldadura, y su distribución es de flexión, tal que
genera
tracción en de
la daño
superficie
otros mecanismos
y falla.externa, donde se inician las fisuras por SCC y
187
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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5.6 Determinación experimental
experimental de la resistencia al daño en servicio
Veremos en las siguientes secciones algunas metodologías para la evaluación de
la resistencia del material a algunas formas características de daño en servicio:
•
Fatiga
•
•
•
Corrosión
Creep
Corrosión bajo tensiones
Para que estos ensayos sean representativos de la respuesta del material al daño
en servicio, es importante asegurar que los parámetros utilizados en estos
ensayos sean similares a los realmente experimentados en servicio.
5.7 Ensayos de vida a la fatiga
La resistencia a la fatiga de un material se ha definido experimentalmente por
mucho tiempo a partir de probetas pulidas sometidas a flexión rotativa. En
máquinas simples, ver Figura 5.14a, las muestras cilíndricas rotan a gran
velocidad. En un extremo cuelga un peso variable que define una tensión
alternativa que es máxima en la zona calibrada (indicada por flecha en la figura).
Midiendo el número de rotaciones hasta la rotura final, se definen curvas de
número de ciclos N versus amplitud de la tensión cíclica S, Figura 5.14b. Se
verifica que si la tensión es cercana a la resistencia del material, Sut, la falla
ocurrirá en pocos ciclos. Si la tensión está por debajo de lo que se llama límite
de fatiga, Se, la vida se hace infinita. En el ejemplo de la figura, se compara la
resistencia a la fatiga de aceros con distintos niveles de aleación, cada curva S-N
corresponde a una dada aleación.
188
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
Sut
)
󰁡
󰁐
(󰁍
󰁮
󰃳
󰁩󰁳
󰁮
󰁥
󰁔
Se
󰁃󰁩󰁣󰁬󰁯󰁳 (󰁎)
Figura 5.14 (a, b)
Estos ensayos son útiles para el diseño (y el análisis de falla) de piezas pulidas,
típicamente elementos de máquinas sometidas a muchos millones de ciclos de
fatiga. Pero en el caso de componentes estáticos (recipientes, estructuras, etc.)
los procesos constructivos generan discontinuidades superficiales (soldaduras,
agujeros, marcas de mecanizado, cambios de espesor, etc.) que hacen que la
resistencia del componente a la fatiga sea muy diferente de la del material
pulido.
Para estos casos, se desarrollan curvas S-N determinadas experimentalmente.
Son similares a las de la Figura 5.14 pero ahora se obtienen distintas curvas S-N
para un mismo material que clasifican los detalles de diseño en rangos
específicos de severidad.
El límite de fatiga, Se en la Figura 5.14, suele definirse como la tensión cíclica
para la cual la vida a la fatiga es de más de un cierto número de ciclos. Es
común que para estos aceros el límite se ubique aproximadamente en los 2
millones de ciclos. Algunos materiales no muestran límite de fatiga, tal es el
caso del aluminio. Este límite de fatiga está directamente relacionado con el
valor umbral según se define más adelante. El efecto de la corrosión (corrosión
fatiga, ver Capítulo 4) en general evita la formación del límite de fatiga.
Este método de análisis se basa en la determinación de la vida total a la fatiga de
un componente hasta su falla y no considera las diferentes fases del proceso. La
fatiga mecánica de materiales puede ser clasificada en los siguientes fenómenos
189
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
discretos pero relacionados: (1) daño cíclico inicial; (2) creación de los defectos
microscópicos iniciales (iniciación de micro fisuras); (3) coalescencia de estas
micro fisuras para formar un defecto detectable (crecimiento de micro fisuras),
(4) propagación subsiguiente de este defecto (crecimiento de macro fisuras); y
(5) falla o inestabilidad final.
En términos
de ingeniería,
primeros de
tres pasos
se consideran
de
macro
fisuras.
Defectos lospequeños
fabricación
en lasiniciación
soldaduras
longitudinales, tales como la rugosidad superficial, pliegues o inclusiones
pueden actuar como fisuras iniciales, por lo que la etapa de “iniciación” puede
ser corta. Al determinar experimentalmente la relación funcional entre la
velocidad de crecimiento
crecimiento de una fisura da / dN, y el pará
parámetro
metro
∆K = Kmax – Kmin
(5.13)
producido por un ciclo de cargas, los metales muestran usualmente el
comportamiento que se observa en la Figura 5.15. En el gráfico logarítmico, la
curva es de tipo sigmoidal con tres regiones bien diferenciadas. La definición y
forma de cálculo del parámetro K, ampliamente utilizado
utilizado en la mecánica de
fractura lineal elástica, serán detallados en el Capítulo 6.
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log
󰁉
󰁉󰁉
󰁉󰁉󰁉
󰁭
󰁋󰁃
∆󰁋󰁴󰁨
log(∆K)
Figura 5.15
Como se observa en la figura, en la región II la curva es muy próxima a una
línea recta. El crecimiento en esta región queda adecuadamente expresado por
la siguiente ecuación, conocida como la “ley de Paris”:
190
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
da
dN
= C ⋅ ∆K m
(5.14)
donde C y m son constantes del material que se determinan experimentalmente.
En los metales, m toma usualmente valores entre 2 y 5. Resulta claro que la Ley
de Paris no describe el comportamiento a la fatiga en la región I, donde existe
un valor umbral ∆Kth por debajo del cual no hay propagación. Tampoco
describe el de la región
región III, donde el crecimiento es
es rápido al acercarse
acercarse Kmax al
KIC del material definido en la sección 5.3.
La determinación de las constantes fractomecánicas de un material se realiza
mediante ensayos de probetas de laboratorio. Los valores de K Kmax y Kmin
aplicados dependen de los máximos y mínimos de la tensión aplicada, las
dimensiones de la probeta y la profundidad de fisura, según se verá en el
Capítulo 6. Los procedimientos de ensayo se encuentran descriptos en la norma
ASTM E647/0. Una probeta con una entalla o fisura previa se somete a
tensiones cíclicas a la tracción o flexión en tres puntos, en un dispositivo similar
al mostrado en la Figura 5.4. Se mide no solo la carga sino también la longitud
de
la fisura, quebeach
va creciendo
cre
ciendosegún
durante
durante
el ensayo. enPara
ello se 2,forman
deliberadamente
marks,
se definieron
el Capítulo
o se
realizan estimaciones indirectas.
En algunas oportunidades se requiere caracterizar materiales en piezas cuya
forma y dimensiones no permiten la extracción de probetas normalizadas. En
estos casos se pueden desarrollar probetas y procedimientos específicos que
permitan el análisis de los mecanismos de interés.
5.8 Técnicas de monitoreo de la corrosión
El mecanismo de daño por corrosión es dependiente del tiempo. Algunos
mecanismos son relativamente fáciles de detectar y monitorear; otros resultan
difíciles, sino imposibles. Existen gran cantidad de métodos y/o técnicas de
inspección para definir el grado de avance de un mecanismo de corrosión,
incluyendo:
•
•
•
•
•
Examinación visual de superficies expuestas
Inspección mediante Radiografía Industrial (Rayos-X)
Inspección por Ultrasonido (UT)
Inspección por Corrientes Inducidas (Corrientes de Eddy)
Inspección por Líquidos Penetrantes y Partículas Magnetizables
Los métodos de inspección y los mecanismos de corrosión predominantes ya se
discutieron en los Capítulos 2 y 4. En esta sección centraremos la atención en
las técnicas de monitoreo de la velocidad de corrosión.
191
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La velocidad de corrosión determina qué tan duradera puede ser la vida útil de
un componente y su seguridad operacional. Con las técnicas para el monitoreo
de la velocidad de corrosión se permite:
1. Proveer una alarma anticipada de los daños potenciales que ocurrirían
en las estructuras, de mantenerse las condiciones corrosivas existentes.
2. Estudiar la correlación de los cambios en los parámetros en el proceso
y sus efectos en
corrosividad
corrosividde
ad del
sistema.particular, identificando los
3. Diagnosticar
unlaproblema
corrosión
mecanismos de corrosión predominantes.
4. Evaluar la efectividad de una técnica de prevención/control de la
corrosión que se haya aplicado al sistema.
5. Proveer información relacionada con los requerimientos de
mantenimiento y condiciones del componente.
Existe un gran número de técnicas para el monitoreo de la velocidad y los
mecanismos de corrosión. Las más empleadas en aplicaciones industrial
industriales
es son:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Cupones de corrosión por pérdida de peso
Probetas de Resistencia Eléctrica (ER)
Probetas de Resistencia a la Polarización Lineal (LPR)
Espectroscopía de Impedancia Electroquímica
Ruido Electroquímico
Probetas para la detección de actividad microbiológica (MIC)
Probetas Galvánicas (ZRA) / medición de Potencial
Penetración de Hidrógeno
Sensores de Erosión
A continuación se describen brevemente los fundamentos del monitoreo de
corrosión mediante Cupones por pérdida de peso (I), probetas de resistencia
eléctrica (II), probetas de Resistencia a la Polarización Lineal (LPR)
(LPR) (III),
Espectroscopía de Impedancia Electroquímica (IV) y Ruido Electroquímico
(V).
I) Cupones de corrosión por Pérdida de peso
La técnica de pérdida de peso es la más simple y conocida de todos los métodos
de monitoreo de corrosión. La instalación de cupones de corrosión permite
obtener información sobre la corrosividad de un fluido/suelo por medio de la
inspección visual y la técnica gravimétrica (pérdida de peso).
Esta técnica se basa en la exposición por un tiempo determinado de una
muestra (cupón) del mismo material de la estructura supervisada, en el mismo
ambiente corrosivo al que está expuesta la estructura. La medición obtenida de
los cupones a analizar es la pérdida de peso que ocurre en la muestra durante el
192
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
período de tiempo al que ha sido expuesto, expresando la misma como una
función de la velocidad de corrosión.
II) Probetas de Resistencia Eléctrica (ER)
La técnica ER mide el cambio de resistencia eléctrica de un elemento metálico.
La acción de la corrosión en la superficie del elemento produce una
disminución
de la sección
conrelacionarse
su correspondiente
aumento
resistencia.
Este
aumento
de resistencia
puede
directamente
con de
la pérdida
de metal
y por ende, a diferentes tiempos, puede obtenerse la velocidad de corrosión.
Las probetas tipo Resistencia Eléctrica aportan una medición básica de pérdida
de peso, pero a diferencia de los cupones, el valor puede ser tomado en
cualquier momento y a cualquier frecuencia, dado que se encuentra
permanentemente expuesto al flujo de proceso, es decir, se puede tomar la
medición on-line. Si bien ésta es también una técnica que promedia en el
tiempo, el tiempo de respuesta es mucho menor que el de los cupones por
pérdida de peso.
III) Probetas LPR, Resistencia de Polarización Lineal
La técnica electroquímica de resistencia de polarización lineal, comúnmente
referida como la técnica LPR, es una metodología para el monitoreo de la
corrosión que permite medir velocidades de corrosión en forma directa y en
tiempo real (mediciones de velocidad de corrosión instantáneas).
IV) Espectroscopía de Impedancia Electroquímica
La espectroscopía de impedancia electroquímica ha sido recientemente aplicada
al monitoreo en campo.
En esta técnica se registra la respuesta de la muestra a una señal de bajo voltaje
aplicado y corriente alterna. Mediante la medición de la respuesta de la muestra
a señales de diferente frecuencia, se pueden determinar muchos efectos de la
corrosión, incluyendo velocidades y mecanismos de corrosión y formación de
películas.
V) Ruido Electroquímico
Electroquímico
El monitoreo por ruido electroquímico consiste esencialmente en el monitoreo
de pequeñas variaciones de potencial de una muestra o el monitoreo de
variaciones de la corriente de corrosión entre dos cupones idénticos. Al
manifestarse el fenómeno de la corrosión, estas variaciones se incrementan.
Esta técnica es sensitiva a la corrosión localizada, tal como picaduras. Si se
someten al ensayo muestras en condiciones de esfuerzo, la técnica de ruido es
también muy sensitiva al mecanismo de fisuración asistida por el medio.
193
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
5.9 Estimación de tensión umbral y propagación por SCC
Vimos en el Capítulo 4 que para producir daño por SCC se requieren tres
condiciones simultáneamente: un medio agresivo en la superficie del
componente, una susceptibilidad
susceptibilidad del
del material y una
una tensión aplicada superior a
un valor umbral, con una componente cíclica. Los datos obtenidos en campo y
laboratorio
que la ytensión
un efecto
en propagación
la iniciación (nucleación
de
fisuras en laindican
superficie)
en la tiene
velocidad
de la
posterior. El
crecimiento de fisuras por SCC se define como un proceso de cuatro etapas. La
primera etapa (1) abarca el desarrollo de las condiciones necesarias para que se
produzca el SCC, seguida por una etapa de iniciación (2). Luego estas fisuras
continúan creciendo y coalesciendo, mientras otras nuevas pueden estar
iniciándose (3). Finalmente, las fisuras más largas coalescen y producen la falla
(4).
La etapa 1 representa el tiempo requerido para deteriorar el revestimiento y
desarrollar el medio para que el SCC sea posible. Es probablemente la etapa
más difícil de predecir, y puede variar en varios órdenes de magnitud. Si se
intenta utilizar un modelo de propagación de daño en un componente que se
sabe tiene SCC, esta etapa se vuelve irrelevante. La clave para predecir la vida
remante
de un
ducto con fisuras
por elSCC
está en estimar
adecuadamente
la
etapa 3, que
probablemente
involucre
crecimiento
esporádico
de las fisuras.
En los ensayos de laboratorio, la velocidad promedio de propagación de fisuras
se calcula típicamente midiendo la longitud final de la fisura y dividiendo por el
tiempo total de ensayo. Generalmente se calcula utilizando la fisura más larga.
En la etapa final de crecimiento, cuando comienza el desgarro, el medio ya no
tiene importancia. De hecho, el mismo mecanismo deja de tener importancia.
Incluso, en muchos casos, la etapa de desgarro es precedida por una breve
etapa donde la fatiga es el principal mecanismo de propa
propagación
gación de la fisura.
La metalurgia puede afectar al SCC tanto por su composición química como
por su micro estructura. Los métodos de ensayo de SCC involucran el uso de
probetas de sección variable que son sometidos a tensión inmersos en las
condiciones electroquímicas adecuadas. El método se basa en el desarrollado
por la American Gas Association, Informe 146 del Proyecto NG-18. Este
ensayo permite obtener los siguientes datos para cada material:
•
•
umbral de tensión σTH: tensión por debajo de la cual no se inician
fisuras
tasa de propagación de fisuras
Las probetas son sometidas a tensiones cíclicas de tracción en una máquina de
ensayos, como la que se observa en la Figura 5.16. Esta es una máquina con
control por carga. La probeta está posicionada en forma vertical entre dos
mordazas, que van unidas a una celda de carga. Mediante un brazo de palanca,
se aplica una carga variable mediante la adición de pesas. Las pesas están
conectadas
a un vástago vertical
en su controlada.
parte inferior,Elque
termina
en un resorte
helicoidal intercambiable
de rigidez
equipo
experimental
se
194
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
completa con una celda electroquímica para establecer el potencial deseado, que
es mantenido con un potenciostato y un electrodo de referencia.
Figura 5.16 Procedimiento experimental para SCC
En la celda se coloca la solución al pH requerido. Para acelerar el proceso, se
define la temperatura del ensayo en los rangos de mayor susceptibilidad. La
duración típica de los ensay
ensayos
os es de entre 10 y 30 días. Las probetas son de
sección variable, se define la tensión máxima aplicada en el punto de menor
sección cercana a la tensión de fluencia del material.
material. Las probetas
probetas de material
de soldadura deben ensayarse en dirección transversal al cordón, y suelen ser de
sección constante, pues no se cuenta con suficiente material.
La aplicación de tensiones cíclicas durante el ensayo permite reproducir el
comportamiento de un componente en servicio y además acelera el ensayo,
optimizando las condiciones para que se produzca la rotura de la capa de
magnetita, permitiendo la disolución anódica del material en la punta de la
fisura.
Una vez concluido el ensayo, la probeta se encuentra cubierta con una película
de magnetita (color negro, Figura 5.17). Se realizan cortes transversales y un
corte longitudinal en el eje de cada probeta, y se preparan muestras
metalográficas que luego se observan en el microscopio óptico. Se determina la
longitud de cada fisura y su posición respecto del extremo de menor sección. La
menor sección donde dejan de encontrarse microfisuras identifica la tensión
umbral de susceptibilid3ad a SCC en las condiciones de ensayo.
195
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 5.17 Evaluación de SCC en la probeta de sección variable
5.10 Resistencia al Creep y monitoreo del
d el daño en servicio
Los tiempos de diseño de componentes sometidos a termofluencia son en
general muy largos (105 hs). Un ensayo de material es impracticable a este
tiempo
es por
eso que
se2 realizan
aceleradosdel
de tiempo
termofluencia
que
tienen una
duración
de 10
o 103 hrs.ensayos
Esta aceleración
se consigue
aumentando ya sea la temperatura de ensayo o bien la tensión de ensayo por
encima de los parámetros de funcionamiento. Los resultados obtenidos luego
se extrapolan a los parámetros de operación.
Los ensayos de Creep requieren la medición de cuatro variables: tensión,
deformación, temperatura y tiempo. La tensión es aplicada por una máquina de
ensayo que aplica tanto carga constante como tensión constante, Figura 5.18a.
Usualmente el ensayo se realiza bajo carga constante, lo que sólo requiere la
aplicación de un peso en forma directa o indirecta, por medio de brazos de
palanca a fin de multiplicar la magnitud aplicada. A las precauciones generales
de los ensayos de tracción, deberán agregarse algunas generales, tales como la
eliminación de la excentricidad, etc. Usualmente se usan las mismas probetas,
196
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
Figura 5.19a, pero generalmente con extremos prolongados a fin
f in de disponer de
un hueco para termocuplas para la medición de la temperatura.
probeta
Figura 5.18 (a) Bastidor para tracción (b) Detalle de probeta en horno
Las deformaciones deben medirse con mucha exactitud en los ensayos de
Creep. Pueden determinarse por medio de dos telescopios móviles que enfocan
dos marcas calibradas previamente. A veces las probetas no se ensayan en aire,
sino en sal, metal líquido y otros tipos de baños, al vacío, etc. La prueba
comprende las siguientes fases:
a) calentamiento gradual de la probeta, hasta alcanzar en unas tres horas la
temperatura fijada,
b) permanencia de la probeta a dicha temperatura durante el tiempo
prefijado,
c) aplicación de la carga constante de tracción.
En su parte mecánica, los ensayos de resistencia al Creep son similares a los de
SCC. Se utilizan máquinas en las que las muestras son sometidas a tracción
hasta su rotura, dentro de un horno que mantiene la temperatura de ensayo
definida, Figura 5.18b. Este ensayo se lleva a cabo según los requisitos de la
norma ASTM E139, que incluye una breve descripción del aparato de
calentamiento que hay que utilizar cuando se realiza el Creep, Creep a rotura, y
la
ruptura
en tensión
materiales
metálicos.
bastidor
la Figura
5.18a
tiene
una capacidad
de en
6000
kg y el horno
de la El
Figura
5.18bde
tiene
un rango
de
197
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
temperatura de 300 a 1200 ° C. Las barras de tracción de la máquina de ensayo
deben realizarse con una aleación especial para trabajar en el interior del horno.
Los terminales roscados en los que se inserta la probeta están realizados con la
misma aleación. El sistema también puede equiparse con un sistema de control
para la descarga del peso para detener la prueba después de un tiempo
predeterminado.
También
se esto,
utilizan
para
caracterizar
la propagación
de fisuras
por
Creep. Para
en elensayos
horno se
coloca
una probeta
fractomecánica
CT, como
se indica en la Figura 5.19b. Se definen los parámetros fractomecánicos, como
el K de iniciación (ver sección 5.3) y velocidades de propagación da/dt. Para lo
último se requieren dispositivos sofisticados que permitan estimar la longitud
instantánea de la fisura, a medida que ésta propaga durante el ensayo, ya que
retirar la muestra durante el ensayo invalidaría sus resultados.
Figura 5.19 (a) Probeta de tracción (b) Probeta CT
El monitoreo del daño por Creep en un componente en servicio se basa en la
técnica de réplicas metalográficas o metalografía de campo. Las características
del daño pueden identificarse e interpretar los resultados en términos de resto
de vida útil del tubo mediante la realización de inspecciones periódicas del tubo.
En los últimos años se han desarrollado una serie de parámetros metalográficos
con el fin de cuantificar los distintos grados de daño microestructural y
correlacionar los resultados con el valor de vida útil residual de los
componentes que operan a altas temperaturas. Entre estos parámetros se
encuentran: la fracción de volumen ocupado por microcavidades, el número de
cavidades por unidad de área, el parámetro de Neubauer y la fracción de bordes
de grano dañados (parámetro 'A').
198
Capítulo 5: Caracterización y ensayo de materiales
El parámetro de Neubauer consiste en clasificar el daño en 4 etapas de acuerdo
a la cantidad y ubicación de las cavidades encontradas:
•
•
Etapa A (aisladas): se encuentran unas pocas microcavidades aisladas.
Etapa B (orientadas): las microcavidades se orientan en los límites de
grano.
•
•
Etapa C (microfisuras): las cavidades se unen y forman microfisuras.
Etapa D (macrofisuras): se observan fisuras en bordes de grano.
A pesar del carácter totalmente empírico de la clasificación es posible realizar
cuantificaciones de la vida residual en base a este parámetro estableciendo
períodos seguros de reinspección
reinspección..
El parámetro "A", desarrollado originalmente por la CEGB (Central Electricity
Generation Board, Inglaterra) establece una cuantificación más precisa del
tiempo de vida residual por medio de la relación semiempírica de la fracción de
bordes de grano dañados respecto del total de borde de granos del material del
cual está fabricado el componente. El parámetro "A" se mide sobre las réplicas
o fotografías del material con una magnificación de 400x para establecer un
balance entre la necesidad de resolución para identificar microcavidades (alta
magnificación) y mantener un número de bordes de grano alto en el campo
visual o en la fotografía
fotografía tomada (baja magnificación).
Para la medición se trazan líneas transversales a la dirección de máxima tensión
y a medida que estas líneas intersectan un borde de grano este es clasificado en
base a las siguientes reglas:
1. Un borde de grano intersectado es observado solo entre la intersección
y el primer punto triple a ambos lados de la intersección.
2. Un borde de grano se clasifica como dañado si contiene una o más
microcavidades (o microfisuras) a lo largo de su longitud observable.
3. Múltiples
intersecciones
con el mismo
borde de grano son contadas
tantas veces
como intersecciones
se produzcan.
4. Intersecciones en los puntos triples clasifican el punto como borde de
grano dañado o no de acuerdo a mayoría (esto es, si dos o tres de los
bordes de grano que forman el punto triple están dañados se clasifica
como dañado).
El parámetro A es el cociente entre los bordes de grano dañados respecto del
total de bordes de grano. Una vez determinado el valor del parámetro este
puede correlacionarse con la vida residual del componente en base a la siguiente
fórmula:
trem = t exp
0.036)] - 1}
exp{ [ 0.522 / (A + 0.036)]
donde:
(5.1
(5.15)
5)
t rem= tiempo de vida remanente
199
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
t ex
exp
p= tiempo de funcionamiento del componente
A = parámetro "A"
Los resultados obtenidos mediante esta ecuación se consideran en general conservadores dentro de la dispersión natural en toda medición experimental. En
estas condiciones, realizar análisis que permitan evaluar sistemática y
periódicamente
los cambiosinnecesarios
en el grado ydepermitirá
acumulación
del deterioro
evitaráo
fallas
súbitas, recambios
programar
recambios
modificar parámetros de mantenimiento que permitan extender la vida útil de
los componentes.
BIBLIOGRAFÍA
1. ASTM A370 - 12 Standard Test Methods and Definitions for
Mechanical Testing of Steel Products. American Standards for Testing
of Materials.
2. L. A. de Vedia: "Mecánica de Fractura". Monografía OEA, 1986.
3. G.
Mase: "Mecánica
"Mecánica del Medio Continuo".
Continuo". Serie Schaum,
Schaum, McGrawHill,E.1977.
4. ASTM E1820 - 11Standard Test Method
M ethod for Measurement of Fracture
Toughness. American
American Standards for Testing of Materials.
Materials.
5. D. K. Felbeck, A. G. Atkins: "Strength & Fracture of Engineering
Materials",Prentice Hall, New Jersey, 1984.
6. Informe GIE 7101-06-05 ANÁLISIS de ELONGACIONES EN
STAND PIPE. Petrobras Energía SA, 2005.
7. Cañerías y recipientes a Presión. José Luis Otegui, Esteban Rubertis.
Eudem ISBN 978-987-1371-18-1. 2008.
8. ASTM E647 - 11e1
11e1
Standard Test Method for Measurement of
Fatigue Crack Growth Rates. American Standards for Testing of
Materials.
9. J.L. Otegui
Ot egui et al. Desarrollo nacional para la caracterización mecánica
no destructiva de componentes metálicos en servicio. 8 Corende,
Argentina, 2011.
10. NG-18 Report 146, “Test Method for Defining Susceptibility of Pipe
Line Steels to Stress-Corrosion-Cracking”, American Gas Associatión
(1985).
11. Informe Técnico GIE 2502-03/00 Análisis experimental de la
susceptibilidad a corrosión
corrosión bajo tensiones
tensiones de los materiales
materiales base y
ERW de oleoducto. Oldelval, Argentina, 2001.
12. ASTM E139 - 11 Standard Test Methods for Conducting Creep,
Creep-Rupture, and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials.
American Standards
Standards for Testing of Materials.
Materials.
200
CAPÍTULO 6
HERRAMIENTAS DE MODELADO MECÁNICO
APLICADAS AL ANÁLISIS DE FALLAS
6.1 Introducción
6.2 Herramientas de Modelado Numérico
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
EJEMPLO 6.A Modelado de la interacción suelo-ducto
Criterios para modelado de componentes a presión
EJEMPLO 6.B Modelado tensional en recipiente amortiguador
Análisis tensional de cuerpos fisurados
fisurados
Cálculo de carga necesaria para Fractura
F ractura Frágil
Cálculo de las condiciones para Fractura Dúctil
EJEMPLO 6.C Cálculo de tensión aplicada en un defecto
preexistente
Modelado mecánico de fisuras longitudinales en tuberías
Modelado mecánico de la propagación
propagación de Fisuras
F isuras por Fatiga
EJEMPLO 6.D Modelado de propagación por Fatiga en
compresor
BIBLIOGRAFÍA
6.1 Introducción
La mayoría de las investigaciones de una falla o accidente comienza al final de la
historia: después de la explosión, cuando el fuego se ha extinguido, tras el
colapso, etc. En este punto es que la gente se pregunta: ¿cómo sucedió esto,
por qué? Desde este extremo cronológico, el investigador reúne, verifica y
evalúa las pruebas para determinar cómo y por qué el evento llegó a producirse.
La base fundamental para las investigaciones de falla es el método científico.
Históricamente hay dos versiones del método científico básico. La primera
versión implica recopilar hechos verificables y observaciones acerca de un
efecto, evento, producto o tema. A continuación se evalúan estos hechos y se
postula una proposición general coherente con los datos. El empirismo
acumula observaciones y nuevos hechos. La proposición general puede
modificarse o cambiarse para mantener la coherencia con el cuerpo conocido
de información verificable. El racionalismo permite que nociones
preconcebidas proporcionen un marco para los datos y hechos nuevos.
Algunos principios fundamentales se consideran inviolables.
inviolables. Los empiristas
aceptan lo que se observa e intentan encontrar orden para explicarlo. Los
racionalistas, por otro lado, proponen lo que debe ser el orden desde el
principio y luego ordenan sus observaciones y hechos para que encajen dentro
de ese marco.
201
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La segunda y más moderna versión del método científico básico también
implica la recopilación de datos sobre un efecto particular y la búsqueda de un
principio común a las observaciones. Sin embargo, después de desarrollar una
hipótesis de trabajo consistente con los datos disponibles, se aplica
continuación para anticipar consecuencias adicionales o efectos que aún no se
han observado. En definitiva, cada hipótesis es probada para determinar si tiene
valor predictivo.
predictivo.
Estas consecuencias adicionales pueden entonces verificarse, por
experimentación, por observaciones adicionales o quizás re-examinando
pruebas y datos ya recogidos. A menudo, una buena hipótesis de trabajo
permite predecir la presencia de pruebas o efectos que estuvieron presentes
desde el principio pero se pasaron por alto, incomprendidos
incomprendidos o considerados sin
importancia durante el período de probatoria inicial. Si se confirman las
consecuencias adicionales o efectos predichos por la hipótesis, se obtiene una
confirmación adicional de la hipótesis. El modelo define lo que es posible y lo
que no es posible.
A medida que crecen los sistemas de ingeniería, es imprescindible
imprescindible entenderlos
lo
suficientemente
como para
fallas inesperadas.
¿Cómo
diseñan
ingenieros
sistemasbien
complejos
queevitar
permanezcan
confiables?
Algunas
de los
las
herramientas más importantes para el diseño y optimización del sistema han
sido la ingeniería asistida por computadora o el diseño asistido por
computadora. Los ingenieros han usado ampliamente herramientas CAE o
CAD durante los últimos cuarenta años para dibujar y más recientemente para
simular y probar diseños de ingeniería.
Los métodos de elementos finitos (FEM), desarrollados en la década de 1950 y
1960, podrían hacer mucho más: partir de un modelo grande de computadora
en muchos elementos pequeños y, a continuación, utilizando expresiones
matemáticas para propiedades físicas, resuelto en los “nodos” entre elementos,
para aportar respuestas “sistémicas” generales a una tensión o una varga en una
ubicación concreta. Esta técnica encontró una aplicación inmediata en la
industria aeroespacial y fue fundamental para entender las respuestas
estructurales a las tensiones. A finales de los 70, la integración del FEM y la
gráfica de dibujo y el software de modelado resultó en una mejor forma para
diseñar y probar simultáneamente a fin de mejorar la performance y por lo
tanto la confiabilidad.
Pero para ampliar este concepto a sistemas complejos, tuvo que desarrollarse el
software para simular una amplia gama de respuestas, no sólo en el caso de una
tensión estática en un punto, sino también para el movimiento, la transmisión
de señales y energía, y otras dinámicas de entrada. Los ingenieros necesitaban
visualizar cómo respondería
respondería un sistema a las variaciones en los criterios de
diseño, cómo funcionaría en su totalidad o en parte. Programas como
ABAQUS y ANSYS (ambos desarrollados
desarrollados en la década de 1970) fueron
202
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
diseñados para permitir a los ingenieros expandir el FEM y CAD para resolver
los denominados problemas multifísicos, que incluían fuerzas mecánicas,
térmicas, electromagnéticas y de vibración en un diseño. Luego surgió el
software para la simulación electrónica y la dinámica de fluidos y control
eléctrico, como el programa de simulación con énfasis en circuitos integrados
(SPICE). Utilizando programas computacionales de dinámica de fluidos, los
diseñadoressino
noque
sólo
entendían
el simular
flujo deincrementos
fluidos a en
través
de un cambios
sistema
complejo,
también
podían
la presión,
rápidos de temperatura y otros cambios dinámicos que podían afectar al
rendimiento general del sistema.
Una vez definidas con suficiente precisión las propiedades del material, las
cargas aplicadas y la geometría de detalle de componente en la zona de la falla
(incluyendo la geometría de defectos previos), el modelado mecánico permite
verificar la pertinencia de la causa mecánica de falla que las evidencias fácticas
no permiten identificar. Las técnicas de modelado mecánico son aún más
importantes cuando la evidencia experimental no permite asegurar un único
modo de falla posible.
Hemos
vistodeque
la condición
pararequerir
un mecanismo
de desgarro
o un
mecanismo
fractura
frágil suele
la aparición,
en algúndúctil
momento
durante el servicio, de tensiones superiores a las históricas hasta ese momento.
En otros casos, los mecanismos de daño se activan cuando se superan ciertas
energías de activación, en casi todos los casos asociadas al estado de tensiones
en la zona del componente donde se desarrollan. Tal vez la única excepción se
da en algunos casos de mecanismos de corrosión, cuya energía de activación
depende solamente de las condiciones electroquímicas del medio, y de la
temperatura. El estado de tensiones, a su vez, define la velocidad de
crecimiento del daño en servicio.
Hemos visto en Capítulos 3 y 5 las herramientas para la caracterización
fractográfica y metalográfica de las superficies de falla y de las características de
los materiales que las involucran. Estos estudios permiten verificar, por
ejemplo, si el modo de propagación de las fisuras es intergranular o
transgranular, la orientación en el espesor de las fisuras, la forma y densidad de
picado por corrosión, etc. Con estos análisis se determinan las características
del ataque o degradación, para constatar el modo de falla, la posible existencia
de especies químicas específicas o daño previo en servicio por temperatura,
fatiga, etc.
Cuando la falla está relacionada
relacionada con la iniciación y crecimiento de fisuras
fisuras a
partir de defectos preexistentes, la evaluación se basa
basa en el análisis
fractomecánico del componente. La Mecánica de Fractura hace uso de un
parámetro de campo apropiado para relacionar tres elementos claves del
análisis. Estos son:
son: las tensiones aplicadas en la zona
zona del defecto, las
las
propiedades del material y la morfología y tamaño del defecto. La
203
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
fractotenacidad de un material (opuesto a fragilidad) se define como la
resistencia del material a la propagación de fisuras, y está relacionada con su
capacidad de absorber energía.
En algunas oportunidades, a veces como parte de un análisis de falla y en su
mayor parte luego de que un análisis de falla demuestra problemas de diseño, se
realiza un rediseño mecánico y evaluación de vida remanente. En estos casos se
recurre yamecánica
modeladode numérico,
mediante
técnicas
de elementos
finitos
fractura. Eltípicamente
efecto de las
cargas de
operación
sobre los
puntos potencialmente críticos de un equipo está relacionado con la generación
de cargas adicionales a la carga nominal de diseño, por ejemplo de las
condiciones dinámicas de carga y de concentradores geométricos de tensiones.
En un caso típico de rediseño se modela la geometría general sobre la base de
los planos disponibles y los datos de proceso y condiciones anormales durante
la operación del equipo.
Cuando al modelo se le suma un análisis fractomecánico, los modelos permiten
verificar el mecanismo de daño que provoca las fallas y las variables
constructivas y operativas que contribuyeron a desarrollarlo. Cuando estamos
en presencia de un mecanismo de daño en el tiempo, en algunos casos también
permiten
determinar
remante
del equipo,
tal es el caso
En
otros casos,
como losladevida
Creep
y corrosión
bajo tensiones
(segúndesefatiga.
discuten
más abajo en este capítulo), los modelos numéricos no permiten por sí solos
obtener predicciones confiables, pero sí definir si los mecanismos de
degradación pueden o no conducir a la falla del componente. En estos casos, la
velocidad del propagación del daño depende fuertemente de las condiciones
particulares de los materiales involucrados (microestructura, temperatura,
medio, susceptibilidad, etc.). Por eso, en estos casos se recurre a la definición
experimental del estado actual de degradación del material y de la velocidad de
propagación futura.
Las herramientas que veremos a continuación se utilizan para el diseño y el
aseguramiento de integridad de componentes mecánicos. Es decir, tienen
función predictiva. Para tal efecto, y con el fin de dar lugar a diseños confiables,
sus resultados están afectados de coeficientes de seguridad. En nuestro caso, sin
embargo, utilizaremos estas herramientas para reproducir los eventos
mecánicos que condujeron a la falla. Por ende, no es nuestra intención arribar a
resultados “conservativos”, sino a resultados tan exactos como sea posible.
Esto hace que algunas herramientas deban utilizarse con cuidado y se requiere
un conocimiento específico por parte del analista respecto de qué es lo que cada
metodología analiza, y cómo lo hace.
Las tensiones o esfuerzos mecánicos son a un sólido como lo es la presión a un
líquido o gas. Sin embargo, como el sólido puede transmitir cargas por corte y
tracción, además de compresión, en cada partícula del sólido podrá haber
componentes de tensión, de tracción-compresión y de corte. Las tensiones se
definen con dos subíndices, por ejemplo σ ij. El primer subíndice identifica la
204
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
dirección normal al plano en que actúa la tensión y el segundo subíndice indica
la dirección en que dicha tensión actúa.
De este modo, dos subíndices iguales, por ejemplo σ yy denotan una tensión
normal al plano xz en la dirección de y, mientras que dos subíndices distintos,
por ejemplo σ xz, denotan una tensión tangencial actuante sobre el plano yz
σ
σ
σ
σ
σ
σ
según
z. Las elcomponentes
( xx, enyy,el punto
zz, P.xy,Es frecuente
xz, yx,
σ yz, la
σ dirección
zy, σ zx)de
definen
estado de tensiones
redesignar a los ejes (x, y, z) definiendo a la variable dirección como X y luego
cada dirección por un numero: x→X1; y→X2; z→X3. Las nueve componentes
se reducen a seis,
s eis, pues debe cumplirse que σ ij = σ ji.
Cuando se efectúa un análisis de tensiones, el procedimiento consiste en
determinar el estado de esfuerzos o tensiones mecánicas en un punto
considerado característico (habitualmente, el más solicitado) para luego calcular
una tensión equivalente, que es comparada con la resistencia del material. La
“intensidad de tensiones” definida por el código ASME PPVC es similar a la
tensión equivalente, y se determina utilizando criterios de fluencia. Los criterios
de fluencia por máximo esfuerzo de corte y por máxima energía de distorsión
elástica se definen como criterios de Tresca y Von Mises respectivamente. Para
aquellos lectores que lo requieran, encontraran un repaso de la teoría de
elasticidad de materiales metálicos en el libro Cañerías y Recipientes de Presión,
listado al final de este capítulo. Es abundante, además, la bibliografía que detalla
los conceptos básicos de mecánica del sólido.
6.2 Herramientas de Modelado Numérico
Los concentradores de tensiones y las tensiones residuales generan gradientes
de tensiones muy elevados, es decir, se producen grandes variaciones en los
valores de las tensiones en una distancia muy corta en el seno del material. Los
métodos
analíticos
utilizadosque
en no
diseño
se basan
simplificaciones
respecto
la
distribución
de tensiones
se ajustan
a laenrealidad
en estos casos.
Paraa
determinar los estados tensionales se debe recurrir a la verificación mediante
mediciones directas, o al modelado numérico.
Existen diversas técnicas de modelado, probadas y confiables, que pueden
utilizarse. Si se realiza un buen análisis de las condiciones de borde geométricas
y de cargas, de modo que el modelo represente adecuadamente la realidad, los
resultados serán lo suficientemente confiables como para considerar a este
método como un ensayo computacional, de validez similar al de un ensayo
experimental.
Se presentan en esta sección técnicas analíticas basadas en la distribución de
tensiones
el espesor demediante
los componentes,
para su utilización
partir de los
resultadosen
determinados
técnicas numéricas
utilizando aprogramas
de
205
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
cálculo comerciales basados en el método de elementos finitos. Estas técnicas
se aplican a la interpretación de los estados tensionales en zonas críticas, como
aquellas con altas concentraciones geométricas de tensiones, en componentes
sometidos a presión y solicitaciones de peso propio, cargas dinámicas, etc.
Como vimos recién, los resultados numéricos se utilizan normalmente para
definir las tensiones
de servicio
para evaluar
de un
componente
como para
evaluaradmisibles,
integridad tanto
o rediseñar
partes elnodiseño
conformes.
Estos criterios de diseño por análisis, tanto de tensiones como de fatiga,
requieren del cálculo tensional detallado del componente y la utilización de
herramientas de inspección.
Se mencionaran brevemente en esta sección algunos métodos numéricos que
han sido útiles para el estudio de estructuras con discontinuidades mecánicas y
geométricas, incluyendo las fisuras. La utilización de estos métodos numéricos,
u otros que puedan desarrollarse en el futuro, es prácticamente obligatoria fuera
de los pocos casos donde puedan obtenerse soluciones analíticas: cuerpos de
material isótropo y elástico lineal en el rango de las tensiones aplicadas, sujetos
a modos planos de carga o deformación.
El método de elementos finitos es el más afianzado, existiendo un número
importante de programas comerciales (FE-PIPE, CESAR, ALGOR, ABAQUS,
COSMOS, LUSAS, etc.), varios integrados con herramientas de diseño asistido
por computadora (CAD), e incluso de diseño y manufactura integrada por
computadora (CAD-CAM, o CIM).
Con el comienzo del nuevo siglo se ha observado un progreso creciente del
método de elementos de contorno (MEC), en particular en problemas relativos
a fractura. Este método es una poderosa herramienta de cálculo alternativa al
método de elementos finitos. El atractivo más notorio consiste en que el MEC
permite reducir la dimensionalidad del problema: para casos en 2-D, por
ejemplo, sólo debe discretizarse la línea de contorno, y en problemas 3-D es
necesario discretizar la superficie del volumen. Esto posibilita la reducción de la
preparación de datos del dominio y un sistema de ecuaciones algebraicas a
resolver mucho más pequeño. El método permite también calcular tensiones y
desplazamientos en el interior del volumen, pero en este caso el método de
elementos finitos resulta más eficiente.
Debido a la mayor disponibilidad de herramientas comerciales de cálculo
basadas en el método de elementos finitos, nos limitaremos a presentar dicho
método. Una desventaja de la mayoría de los programas comerciales que
utilizan este método, es que se limitan a condiciones estáticas. Es decir,
permiten modelar el componente mientras se mantiene como un sólido
homogéneo; no permiten modelar condiciones donde haya habido, por
ejemplo, desprendimientos de piezas y se requiera modelar las trayectorias
previas a un impacto, etc. Para estos casos existen ciertas herramientas,
206
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
particularmente el programa comercial Working Model y similares. Éstos serán
tratados brevemente al final del capítulo.
Se lo denomina método de elementos finitos ya que, al analizar una estructura
determinada, su volumen se divide en elementos de dimensión finita. Estos
elementos pueden ser de distinto tamaño, discretizando más finamente una
región de interés,
y también
tipo, aunque
nolos
necesariamente.
Hay
elementos
de dimensión
uno, de
dosdistinto
y tres; siendo
en todos
casos la estructura
de estudio de dimensión superior o igual a la de los elementos empleados. Los
elementos se conectan entre sí en puntos llamados nodos, donde se exige la
continuidad del campo de desplazamientos. El método se aplica usualmente en
la mecánica del sólido, para estudiar la respuesta de una estructura con
restricciones dadas a la acción de cargas determinadas. De esta forma puede
estudiarse, por ejemplo, una viga empotrada en una pared y con cargas laterales
(caso 1-D), la cáscara de un anfiteatro bajo la acción de su peso propio y de los
vientos (caso 2-D), o un sólido arbitrario con cargas de volumen y sobre su
superficie (caso 3-D).
La formulación del método para el caso bidimensional aporta una introducción
al
mismo.
A fin (p.e.
de simplificar
el cálculo
cuando
dominio
del con
problema
tiene
forma
irregular
no rectangular
o curva),
se elsuele
trabajar
un sistema
global de coordenadas (p.e.x-y), y otro local y normalizado (p.e.ξ-η) asociado al
elemento, tal que cada borde del elemento siempre se encuentra a valor
constante ±1 para alguna de las coordenadas locales. De esta forma, se facilita la
integración numérica en el elemento en puntos denominados puntos Gauss.
Consideremos el elemento de 8 nodos dibujado en la Figura 6.1. En el mismo
pueden observarse ambos sistemas de coordenadas.
Y
(0,1)
(-1,1)
(1,1)
η
(1,0)
(-1,0)
(1,-1)
(-1,-1)
(0,-1)
Figura 6.1
207
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Los nodos se ubican en los puntos (xi,yi), expresados en coordenadas
coordenadas globales, y
se corresponden con los pares (ξi, ηi) de componentes de valor: –1,
–1, 0 y 1, según
se ve en la figura anterior. Ambos sistemas de coordenadas se relacionan
mediante una función de interpolación M, tal que:
m
x=
∑ M (ξ ,η ) ⋅ x
i
(6.1a)
i
i =1
m
y=
∑ M (ξ ,η )⋅ y
i
i
(6.1b)
i =1
donde el subíndice i recorre los m nodos del elemento. En forma similar, las
llamadas “funciones de forma” N permiten interpolar magnitudes de interés
dentro del elemento. Los desplazamientos en las direcciones x e y en un punto
del elemento se escriben, respectivamente:
respectivamente:
n
ue =
∑ N (ξ ,η )⋅ u
i
i
(6.2a)
i
(6.2b)
i =1
n
ve =
∑ N (ξ ,η ) ⋅ v
i
i =1
Donde ui y v i representan los desplazamientos en n puntos dados del elemento.
Ambas funciones My N son biunívocas y bicontinuas. Cuando m = n, los
puntos coinciden con los nodos y M = N, el elemento se dice isoparamétrico.
Si N es de mayor grado que M el elemento se dice subparamétrico, y en el caso
opuesto; superparamétrico. Supongamos por simplicidad que el elemento de la
Figura 6.1 es isoparamétrico. Las expresiones para ue y v e pueden escribirse en
forma matricial de la forma:
uv e  = [N]⋅ {u}
 e
(6.3)
donde [N] es la matriz de función de forma, y {u} es el vector de
desplazamientos nodales. Las deformaciones se relacionan con los
desplazamientos a través de la ecuación:

 ∂
0
ε xx   ∂x

u 
u 
  
{ε} = ε yy  =  0 ∂ ∂y  ⋅  e  = [L ]⋅  e 
ve 
v e 
ε  

∂
∂
 xy 
∂x 
 ∂y
208
(6.4)
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
donde {ε} es la matriz de deformaciones y [L] es un operador matricial. De las
dos expresiones anteriores surge entonces que:
{ε} = [L] [N] {u} = [B] {u}
(6.5)
La matriz [B], usual en la notación de elementos finitos, permite conectar
directamente
el campo
de deformaciones
en un punto
de un
con los
desplazamientos
en los nodos.
La matriz contiene
derivadas
derivada
s deelemento
las funciones
Ni
respecto de x e y, que se relacionan con las derivadas respecto de las
coordenadas localesχ, η a través de una matriz Jacobiana [J]. La matriz de
tensiones se expresa matricialmente según la Ley de Hooke:
{σ} = [D] {ε}
(6.6)
donde [D] es la matriz constitutiva tensión-deformación del material estudiado.
El método de elementos finitos se basa en la utilización de principios
variacionales o de residuos ponderados,
ponderados, donde los despla
desplazamientos
zamientos nodales son
las incógnitas a resolver. Las fuerzas y desplazamientos en los nodos se
relacionan, para cada elemento, por la ecuación:
{f} = [k] {u}
(6.7)
donde[k] se denomina matriz de rigidez, y se obtiene por medio de la integral:
[k] =
∫∫
[B]T [D] [B] det [J] dξ dη
(6.8)
En muchos problemas es posible derivar la ecuación anterior aplicando el
principio de mínima energía potencial. En este método, las integrales se
calculan numéricamente por elemento utilizando puntos de Gauss en número
suficiente para obtener la precisión buscada. Por ejemplo, para elementos 2-D
es frecuente usar al menos cuatro puntos de Gauss. Cuando en una región del
problema se requiere mayor precisión, debe buscarse una combinación óptima
del número de puntos de Gauss a emplear y del tamaño y tipo de elemento.
Una vez obtenidas las ecuaciones por elemento, las matrices de rigidez son
ensambladas para plantear la ecuación general del problema:
[F] = [K] {U}
(6.9)
Donde [F] y {U} son respectivamente los vectores globales de fuerzas y
desplazamientos nodales, y [K] es la matriz de rigidez global del problema.
De esta forma, los desplazamientos en los nodos se calculan resolviendo un
sistema
lineales
pierde
algodesplazamientos,
de precisión al
calcular de
las ecuaciones
tensiones dado
que por
éstascomputadora.
se calculan a Se
partir
de los
209
Análisis de fallas – Fundamentos
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aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
como se vio anteriormente. Para problemas no-lineales en las que, por ejemplo,
la plasticidad debe tenerse en cuenta, es necesario hallar las tensiones y los
desplazamientos en forma incremental, actualizando la matriz [D] en cada paso.
En estos casos, y máxime si el cálculo debe realizarse en 3-D, se incrementa
notoriamente el costo computacional del análisis.
EJEMPLO 6.A Modelado de la interacción suelo-ducto
suelo-ducto
En este ejemplo se muestra un desarrollo en el modelado de un problema
relativamente reciente: la rotura de ductos enterrados en zonas inestables.
Veremos el caso de una compañía operadora de ductos enterrados en una zona
selvática montañosa. La combinación de fuertes pendientes, lluvias de hasta
7000 mm en períodos de tres meses, y una capa superficial de suelo de poca
consistencia sobre un lecho rocoso, han contribuido a la ocurrencia de algunas
fallas por tracción y arrugas en la tubería, ver por ejemplo Figura 6.A1.
Figura 6.A1 Arrugas en gasoducto en suelo inestable
Haciendo frente a esta situación, se desarrolló un sistema completo de
monitoreo de los estados tensionales de tuberías en selva. También se
desarrolló una herramienta confiable que estima los puntos más cargados, a
efectos de optimizar la ubicación de strain gauges y otros dispositivos. La
herramienta basada en el método de elementos finitos permite simular el estado
tensional de ductos ante desplazamientos impuestos al suelo. Los resultados y
conclusiones de dichos estudios sirven de soporte al Sistema de Administración
Administración
de la Integridad de ductos del operador, el cual tiene por objetivo operar y
210
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
mantener de manera confiable el sistema de transporte por ductos,
minimizando daños a personas, medio ambiente e instalaciones.
Para el modelado numérico de tuberías enterradas se utilizan dos metodologías
básicas: (1) la práctica habitual, usando un tipo especial de elementos de viga
para modelar el ducto y un modelo de resortes para representar el suelo
circundante,
usando elementos
finitos desuelo-ducto
tipo sólido
continuo.
En yel (2)
casoeldelavanzado,
método avanzado,
para la interacción
se
utiliza un modelo de elementos finitos no lineales, utilizando el software
Abaqus. La tubería se modela con un elemento especial de viga; el suelo se
simula con el elemento sólido continuo; y la interacción entre ambos se modela
por un nodo compartido. Este sistema trabaja como un material compuesto y
demostró un buen acuerdo con el comportamiento físico real del ducto en
campo. También se desarrolló otra alternativa que incluye los elementos de
cáscara para el ducto, elementos sólidos continuos para el suelo y un algoritmo
de contacto para modelar la interacción. Pero los tiempos de proceso son
excesivos para hacer de esta alternativa una herramienta útil para contribuir con
la toma de decisiones.
Figura 6.A2 (a, b) Modelado de la interacción entre suelo y tubería enterrada
La Figura 6.A2a muestra una malla típica para el modelado de la interacción
entre suelo y tubería enterrada. En el detalle de la Figura 6.A2b se han retirado
algunos elementos del suelo, con el fin de apreciar los elementos de la tubería.
Los grados de sombra indican en este caso los desplazamientos predichos,
tanto en el suelo como en la tubería. Estos modelos son alimentados con los
datos de desplazamientos del suelo y la información recabada por los
especialistas geotécnicos, generalmente obtenidos luego de alguna falla o
detección temprana mediante los sistemas de monitoreo. Estos modelos se han
utilizado para verificar los desplazamientos requeridos para que la tubería
alcance la tensión de rotura, y con ello justificar la falla. En un caso particular,
por ejemplo, pudo determinarse que un mismo estado de desplazamientos
211
Análisis de fallas – Fundamentos
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
puede provocar la falla de un ducto de poco diámetro, mientras que un ducto
de mayor diámetro en el mismo derecho de vía permanece en régimen elástico.
Figura 6.A3 Modelado de intervención para distensionar una tubería enterrada
Con estos modelos se determinan las secciones de la tubería más
comprometidas, y con ello es posible definir, por ejemplo, cuál es la óptima
ubicación de los extensómetros para el monitoreo del tramo y los sitios
preferenciales para una ubicación racional de los sensores de desplazamiento en
el suelo. Otra aplicación es la definición de las posiciones óptimas de
excavación para distensionar tramos de tubería con un cierto grado de esfuerzo
debido a los desplazamientos del suelo, ver Figura 6.A3. La ubicación de estas
excavaciones no se define fácilmente, ya que es frecuente que las secciones de
mayores desplazamientos del suelo no se correspondan con las secciones de
mayores esfuerzos aplicados a la tubería.
En la Figura 6.A4 se muestran los resultados del modelado para optimizar la
posición de alcantarillas en una tubería enterrada, con el objeto de independizar
su trazado de los desplazamientos del suelo. Los ductos presentan
desplazamientos transversales máximos que tienden a estabilizarse, y por tanto
son independientes de la dirección y magnitud del desplazamiento impuesto.
Las deformaciones y tensiones
t ensiones axiales máximas en el tramo enterrado aumentan
proporcionalmente a la longitud del tubo que es sometido al deslizamiento de
suelo. Se concluyó como regla práctica para el dimensionado de las alcantarillas
en este caso particular que su diámetro de base debe ser 2.5 veces el del ducto a
212
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
intervenir. Tramos intermitentes de alcantarillas distribuidos inteligentemente
pueden disminuir las inversiones para asegurar la integridad del ducto.
(a)
(b)
Figura 6.A4 Modelado para optimizar la posición de alcantarillas en una tubería
enterrada (a) Detalle de los modelos (b) Deformación longitudinal del ducto vs.
distancia (con y sin alcantarilla)
6.3 Criterios para modelado de componentes
componentes a presión
presión
Veremos aquí el caso particular, aunque muy frecuente, de componentes donde
la presión representa una parte fundamental de estado de cargas. El Código
ASME BPVC hace referencia al criterio de Tresca, mientras que el código API
RP 579 “Fitness for Service” (válidos los dos) recomienda el uso de la
213
Análisis de fallas – Fundamentos
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expresión que considera Von Mises. Para demostrar integridad estructural,
tanto ASME como API presentan una categorización de tensiones. En forma
resumida, las definiciones de las categorías se indican a continuación.
•
Intensidad de tensiones primarias de membrana generales (Pm): es la
intensidad de tensiones que se deriva del valor promedio de la tensión
aproducidas
través delpor
espesor
de unadesección,
las tensiones
primarias
la presión
diseño de
y otras
cargas mecánicas
especificadas, pero sin considerar las tensiones secundarias ni las pico.
El valor de intensidad de tensiones equivalente admisible es kSm.
214
•
Intensidad de tensiones primarias de membrana locales (PL): es la
intensidad de tensiones promedio a través del espesor de las tensiones
en una sección, considerando solamente cargas mecánicas. Considera el
efecto de discontinuidades pero no concentraciones. El valor de
tensiones equivalente admisible es 1.5 kSm.
•
Intensidad de tensiones de membrana primarias más intensidad de
tensiones de flexión primarias (PL+Pb): es la intensidad de tensiones
derivada del mayor valor a través del espesor de una sección de las
tensiones locales o generales de membrana más las tensiones primarias
de flexión provocadas por la presión de diseño y otras cargas
mecánicas, sin considerar las tensiones secundarias ni las pico. El valor
de tensiones equivalente admisible es 1.5 kSm.
•
Intensidad de tensiones primarias más secundarias (PL+Pb+Q): es la
intensidad de tensiones derivadas del mayor valor en cualquier punto a
través del espesor de una sección, como resultado de la combinación
de las tensiones primarias de membrana locales o generales,
provocadas por la presión de operación, cargas mecánicas y por efectos
térmicos. El valor de tensiones equivalente admisible es 3Sm.
•
Intensidad de tensiones primarias mas secundarias más pico
(Pl+Pb+Q+F): Es la intensidad de tensiones derivada del mayor valor
en cualquier punto a través del espesor de una sección de la
combinación de todas las tensiones primarias secundarias y pico
producidas por las presiones de operación, cargas mecánicas, por
efectos térmicos generales y locales e incluyendo los efectos de
discontinuidades estructurales grandes y locales. El valor de intensidad
de tensiones equivalente debe compararse con un valor admisible que
se obtiene efectuando un análisis de operación bajo carga cíclica.
•
Además existe un límite de tensión triaxial. La suma algebraica de las
tensiones principales en el punto que se está investigando no puede ser
mayor a cuatro veces la Sm.
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Nótese que, excepto cuando se considere el caso de operación bajo carga
cíclica, las intensidades de tensiones se deben comparar con Sm, siendo ésta la
intensidad de tensiones admisible. Esta tensión se determina teniendo en cuenta
el tipo de componente y el material con el que está construido en las
condiciones que se están evaluando. Esto implica que se consideran las
propiedades del material y la norma o el Código de construcción del recipiente,
según API RP 579.
Por otro lado el factor k, denominado factor de tensiones, depende de la
combinación de cargas que se esté considerando. Los documentos de API y el
Código ASME poseen los mismos valores de k para las mismas combinaciones
de carga, ver Tabla 6.1.
Tabla 6.1. Factores de tensiones
Puesto que el requerimiento para la aceptabilidad del diseño o de la aptitud para
el servicio es que las intensidades de tensiones no excedan los límites
permitidos especificados, y dado que estos límites dependen de la categoría de
tensiones para la cual se deriva la intensidad de tensiones, se debe establecer un
procedimiento para el cómputo.
1. Se determinan los tipos de carga a los que el componente estará
sometido.
2. En el punto en el que se está evaluando el componente, se calcula el
tensor de tensiones. A continuación se asigna cada juego de tensiones a
una de las categorías:
Tensiones de membrana
membrana primari
primarias
as generales Pm
Tensiones de membrana
membrana primari
primarias
as locales Pl
Tensiones de flexión Pb
Pb
Tensiones secundarias
secundarias Q
Tensiones pico F
3. Se
suman de
lostensiones.
tensores de tensiones asignados a cada categoría de
intensidad
215
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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4. Se determinan las tensiones principales de la suma de los tensores de
tensiones asignados a cada categoría y se calcula la intensidad de
tensiones equivalente elástica.
5. Se compara la intensidad de tensiones equivalente hallada con las
intensidades de tensiones admisibles para cada categoría.
Las cantidades
Pl, Pb,representando
y F no representan
cantidades
únicasdel
sinotensor
que son
juegos
de seis Pm,
cantidades
las seis
componentes
de
tensiones. Al efectuar el tercer paso, utilizando un análisis mediante métodos
numéricos, los resultados ya proveen la combinación de Pl+Pb o Pl+Pb+Q
directamente. Por esta razón, no es necesario determinar Pl y Pb sólo a efectos
de la categorización. Esto sucede porque el procedimiento descrito se
desarrolló para efectuar cálculos manuales. Para determinar la intensidad de
tensiones equivalente elástica se puede utilizar cualquiera de los criterios de
fluencia que se indicaron en 6.1 (si se efectúa un análisis de acuerdo a API RP
579, mientras que ASME sólo reconoce el criterio de Tresca). Los objetivos de
ambos documentos son distintos. El Código ASME provee de procedimientos
para el diseño de componentes mientras que la práctica recomendada API
sintetiza procedimientos útiles y reconocidos para determinar la aptitud para el
servicio de componentes.
EJEMPLO 6.B Modelado tensional en recipiente amortiguador
En este ejemplo determinamos el modo de falla, y las causas que condujeron a
la misma, en un botellón amortiguador de descarga de un compresor de gas en
una planta petroquímica, ver Figura 6.B.1. El recipiente se diseñó y construyó
en 1979 de acuerdo con ASME PVBC, Sección VIII División1. El
procedimiento especifica filetes discontinuos. En este recipiente se mecanizó
localmente el refuerzo para reducir concentradores de tensión. En el diseño
actual se reemplazó el poncho originalmente especificado por un accesorio
weldolet.
El accesorio weldolet mencionado falló en aumentar la vida útil del
componente debido a que la soldadura entre el refuerzo vertical y el recipiente
quedó ubicada directamente sobre la pared del recipiente. La inspección
determinó que una de las fisuras se inició en el talón de la soldadura y la otra en
la raíz. Ambas propagaron inicialmente en el material de la soldadura. Las
soldaduras del refuerzo tienen una sola pasada, la calidad geométrica es muy
buena y no existe evidencia de defectos de fabricación, ni sitios de alta dureza
en Zonas Afectadas por el Calor (ZAC).
216
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Figura 6.B1
Las superficies de la fractura indican propagación por fatiga: las tensiones
cíclicas provienen en gran parte de la transmisión de vibraciones del compresor
durante eldefuncionamiento.
evidencia
caso, y en verticales
los estudios
derivados
fallas anteriores,Lamuestra
que en
los este
desplazamientos
del
recipiente superan ampliamente los límites tolerados
t olerados por el diseño.
El modelado numérico verifico que los máximos esfuerzos se ubican en la zona
de la rotura, ver Figura 6.B.2, cuando se utiliza el refuerzo. Se recomendó
realizar cambios en los soportes elásticos y verificar mediante Ensayos No
Destructivos las posibles fisuras y los puntos duros en la soldadura del refuerzo
para evitar la repetición de fisuración en este recipiente. Las vibraciones pueden
conducir a la fisuración en otros recipientes, sistemas de piping y otros
componentes asociados a este precompresor. Luego, se debe verificar que los
espesores y los sistemas de soporte corresponden a las especificaciones del
fabricante.
217
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
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Figura 6.B2
Para
la detección
temprana de
fisuras
en el equipo
funcionamiento,
se recomendó
realizar
un monitoreo
visual actualmente
frecuente de en
la
superficie en la zona de iniciación. Asimismo, se recomendó también la
inspección de las soldaduras potencialmente peligrosas en otras conexiones
bridadas y en los sistemas de apoyo. Para reducir la frecuencia de reiteración de
las fallas en futuras reconstrucciones del botellón amortiguador se recomendó
modificar su diseño:
reemplazando el weldolet por un refuerzo de circundación completa o
anillo sobre el recipiente,
• agregando otras placas de refuerzo o gussets, con un diseño adecuado.
•
La solución final a este reiterado problema es reducir la amplitud de las
vibraciones en este recipiente y sus cañerías asociadas. Este botellón de
descarga ha estado vibrando en niveles peligrosos y ese movimiento debe ser
reducido para evitar una nueva falta.
Los niveles de la vibración del compresor y los análisis del dominio de
frecuencia no permitieron detectar daño mecánico significativo en el compresor
o vibración inducida por pulsación severa. No se demuestra un aumento en las
últimas medidas de vibración. La cohesión entre el marco, la mampostería y la
fundación se encontró aceptable. La componente principal de la vibración se
ubica en 11 veces la velocidad de rotación del cigüeñal. Las frecuencias impares
son raras en este tipo de máquina, por lo que se concluye que las vibraciones no
son transmitidas por el compresor.
218
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Los cálculos basados en API 618 demuestran que este recipiente es de tamaño
insuficiente. No tiene perforados internos u otros dispositivos que permitan
hacer el flujo más uniforme, eliminando efectos de pulsación. Para modificar la
frecuencia de pulsación del fluido en el interior del botellón se necesita
modificar sustancialmente la longitud del recipiente.
6.4 Análisis tensional de componentes fisurados
La industria de componentes para uso a temperaturas ambientes y criogénicas
ha adoptado los conceptos de tenacidad y temperatura de transición, estudiados
en cierto detalle en el Capítulo 5. El ensayo de impacto Charpy es utilizado por
varios códigos de fabricación.
A partir de 1980 apareció un nuevo problema, a medida que las plantas termo
nucleares de generación eléctrica comenzaron a llegar al fin de su vida útil de
diseño. La industria de la generación de energía nuclear se vio obligada a
demostrar la integridad estructural, confiabilidad y aptitud para el servicio de
recipientes a presión conteniendo defectos, que por efecto de la radiación
resultaban
difíciles deque
reparar
o reemplazar.
A este esfuerzo
se sumaron
luego otrasmuyindustrias,
vieron
la oportunidad
de incrementar
la
disponibilidad de las plantas y su eficiencia, extender su operación más allá de
su vida útil prevista o incrementar los parámetros de funcionamiento por
encima de los valores de diseño. De este modo se minimizan los costos de
servicio y se optimiza el retorno de la inversión.
El procedimiento CEGB, desarrollado inicialmente por la Nuclear Electric en
el Reino Unido, se utilizó originalmente en la evaluación de componentes de la
industria nuclear. Ha estado en continuo uso y desarrollo en esas rigurosas
circunstancias durante las últimas dos décadas. Se lo ha incluido en normas
británicas, americanas, y en códigos suecos y franceses. La metodología del
“R6” ha contribuido en forma significativa a la seguridad y confiabilidad de
operación en industrias químicas, petroquímicas y de otros tipos de generación
de energía. Se basa en los diagramas de evaluación de falla (FADs),
(F ADs), de los cuales
hablaremos en detalle más adelante.
La relevancia de la mecánica de la fractura se basa en el hecho de que un
componente estructural en presencia de un concentrador puede fallar a una
carga sensiblemente inferior a la de diseño. La resistencia medida
experimentalmente en materiales tales como el vidrio ordinario es inferior a
1/100 de la resistencia teórica de su estructura atómica. Esta discrepancia
condujo a postular la existencia de pequeñas fisuras que provocan la
disminución de resistencia. Estas fisuras actúan como concentradores de
tensiones de modo tal que en el vértice de aquellas se alcanza el valor de la
tensión teórica, aunque la tensión media se mantenga en valores muy inferiores.
219
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Entonces, de acuerdo a este concepto, la fractura se produce cuando se alcanza
el valor de la resistencia teórica en el vértice de las fisuras.
Aquellos lectores interesados podrán encontrar un resumen de los conceptos
básicos de la mecánica de fractura lineal elástica en el libro Cañerías y Recipientes
de Presión ya mencionado. En el listado al final de este capítulo se incluye,
además, alguna bibliografía que detalla los conceptos básicos de la mecánica de
fractura.
MODO I
MODO II
MODO III
Figura 6.2 Tres modos de carga aplicables a una fisura
Para cuerpos fisurados sujetos a fuerzas externas, es posible derivar expresiones
analíticas para las tensiones en la vecindad de la fisura. La Figura 6.2 muestra
los tres modos en que una fisura en el seno de un material elástico puede
propagarse. En los modos II y III, el material fisurado es solicitado por
tensiones de corte, mientras que en el modo I, son las tensiones de tracción las
que pueden tornar crítica o inestable a la fisura. Un cuerpo fisurado puede
cargarse con cualquiera de estos modos, o una combinación de dos o tres
modos. Pero el modo I representa más del 90% de los casos de fallas de
estructuras, por lo que nos limitaremos a su estudio.
Consideremos la distribución de tensiones en el material elástico adyacente al
vértice de una fisura pasante de longitud “2a”, como la mostrada en la Figura
6.3. Definimos el Factor de Intensidad de Tensiones en el vértice de la fisura en
Modo 1 (KI) como:
1/ 2
K1 = σ (πa )
(6.10)
Se puede demostrar (solución de Westergaard) que los esfuerzos o tensiones
mecánicas en el seno del material adyacente al vértice de la fisura (Figura 6.3)
tienden a infinito en el extremo de la fisura. Las tensiones lejos de la punta de la
fisura son gobernadas por las condiciones remotas. Por ejemplo, si la estructura
220
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
fisurada está sujeta a una tensión uniforme remota, σyy alcanza un valor
constante, σ∞.
Figura 6.3 Tensión normal al plano de la fisura en modo I
El factor de intensidad de tensiones define la amplitud de la singularidad en la
punta
de la fisura.a Es
las tensiones
la punta de
fisura aumentan
en proporción
K. decir,
Además,
el factorcerca
de de
intensidad
de latensiones
define
completamente las condiciones en la punta de la fisura. Esta descripción de un
sólo parámetro de la condición en la punta de la fisura es uno de los conceptos
más importantes en mecánica de fractura.
El análisis efectuado hasta aquí para describir los campos de tensiones y
deformaciones en el vértice de una fisura bajo carga, se basa en el supuesto de
que el comportamiento del material es lineal-elástico perfecto para cualquier
valor de tensiones en el extremo de la fisura. En la realidad,
realidad, los materiales no se
comportan de esta manera, y es evidente que la singularidad del estado de
tensiones que caracteriza el campo elástico en el vértice de la fisura debe
conducir necesariamente a la formación de una zona plástica localizada en
dicho vértice (Figura 6.3). En lo que sigue, supondremos que la magnitud de
esta plastificación es suficientemente pequeña como para ser despreciada en el
análisis.
6.5 Cálculo de car
carga
ga necesaria para
para fractura frágil
frágil
Para que el factor de intensidad de tensiones sea útil, uno debe tener la
capacidad de determinar K a partir de las cargas remotas y la geometría. Se han
derivado soluciones de forma cerrada para K para varias configuraciones
simples. Para las situaciones más complejas, el factor de intensidad de tensiones
puede estimarse por experimentación o análisis numérico.
221
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La mayoría de las configuraciones para las cuales hay una solución de forma
cerrada para KI consiste en una fisura con una forma simple (un rectángulo o
elipse por ejemplo) en una placa infinita. Dicho de otra manera, las dimensiones
de la fisura son pequeñas comparadas con el tamaño de la placa; las condiciones
de la punta de la
l a fisura no son influenciadas por límites externos. A medida que
el tamaño de la fisura aumenta, o cuando las dimensiones de la placa
disminuyen,
los límites
exteriores
empiezan
a ejercer
unaintensidad
influenciadeentensiones
la punta
de
la fisura. En
tales casos,
una solución
cerrada
de la
no es normalmente posible.
Aunque las soluciones para el factor de intensidad de tensiones se dan en una
variedad de formas, K siempre puede relacionarse con la fisura pasante en una
placa infinita a través
t ravés de un factor de corrección apropiado:
K ( I , II , III ) = Yσ πa
(6.11)
dondeσ es la tensión característica remota (la que hay en el sitio sin considerar
el efecto concentrador de la fisura), a es una dimensión característica de la
fisura,
una constante
que depende
de lasoluciones
geometríapara
del
cuerpo Yy laesfisura
y del modosindedimensión
carga. La Figura
6.4 muestra
fisuras elípticas internas y semielípticas pasantes, basadas en las soluciones de
Newman-Raju.
222
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
KI = σ
πa
Q
f (φ )
πa
K I = λ sσ
Q
f (φ )
1
 2 a
4
2
f (φ ) =  sen φ +   cos φ 
c


2

 a 
 
λ s = 1.13 − 0.09  [1 + 0.1(1 − senφ ) 2 ]
c

 a 
Q = 1 + 1 . 464 

 c 
1 . 65
Figura 6.4
El análisis fractomecánico de una estructura elástica lineal se hace posible, una
vez que se ha obtenido una solución de K para la geometría de interés. Las
soluciones de intensidad de tensiones pueden venir de varias fuentes: manuales,
literatura publicada, experimentos o análisis numérico. Se ha publicado durante
los últimos 35 años un gran número de soluciones del factor de intensidad de
las tensiones. Varios manuales contienen recopilaciones de soluciones para una
gran variedad de configuraciones. Normalmente es posible encontrar una
solución de K para una geometría similar a la de la estructura de interés.
Cuando una solución para K no está disponible, o la exactitud de esa solución
está en duda, uno puede obtener la solución numérica o experimentalmente.
Derivar una solución de forma cerrada no es una alternativa viable, ya que esto
es sólo posible con geometrías simples, y casi todas estas ssoluciones
oluciones ya han sido
publicadas. Una alternativa es utilizar el principio de superposición elástica que
permite construir nuevas soluciones a partir de los casos conocidos. Las
probetas para ensayos de laboratorio contienen normalmente fisuras
idealizadas, pero las fallas que ocurren naturalmente en las estructuras no tienen
obligación alguna de mantener estos ideales. Las fallas estructurales son
típicamente superficiales e irregulares. Es más, gradientes severos de tensión
surgen a menudo en situaciones prácticas, como en el caso de concentradores
geométricos de tensión (Figura 6.6), mientras que las probetas experimentan
cargas relativamente simples.
223
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
σm =
σb =
σ max + σ min
2
σ max − σ min
2
Figura 6.5
Newman y Raju han publicado una serie de soluciones de KI. La Figura 6.5
ilustra algunas de las geometrías supuestas, elipses, medias elipses, y cuartos de
elipses, respectivamente. Estas soluciones se aplican a las distribuciones lineales
de tensión, donde la tensión normal a la falla puede resolverse en componentes
de flexión y de membrana, respectivamente. Si la distribución de tensiones en el
espesor no es perfectamente lineal, las tensiones de flexión y de membrana
pueden inferirse de la siguiente manera: la tensión de membrana equivalente es
igual a la tensión media integrada a través del espesor, y la tensión equivalente
de flexión es inferida computando el momento resultante (por unidad de
longitud) y dividiendo por 6t².
Las soluciones de Newman y Raju para fisuras del tipo no pasante sujetas a
tensiones de membrana y flexión se expresan de la siguiente forma:
πa
(6.12)
K I = (σ m + Hσ b )F
Q
donde Q es el parámetro de forma (Figura 6.4) y F y H son constantes
geométricas que Newman y Raju obtuvieron del análisis por elementos finitos.
Los parámetros F y H dependen de a/c, a/t, y F y del ancho de la placa. La
Tabla 6.2 lista soluciones para F y H.
224
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Figura 6.6
6.6 Cálculo de las condiciones para Fractura
Fractura Dúctil
La carga en una estructura que puede generar tensiones primarias y secundarias.
Las tensiones primarias generalmente surgen de las cargas y momentos
externamente aplicados, mientras que las tensiones secundarias son localizadas
y equilibradas a través de la sección. Las tensiones primarias, en el caso de que
sean suficientemente grandes, son capaces de llevar al colapso plástico, pero las
tensiones secundarias no pueden causar colapso de la estructura. Éstas, sin
embargo, pueden contribuir a la fractura si son de tracción y ocurren cerca de
una fisura. Los ejemplos de tensiones secundarias incluyen tensiones residuales
de soldadura y térmicas. En algunos casos, sin embargo, la carga térmica puede
producir tensiones primarias. Una tensión debe clasificarse como primaria
cuando no esté claro a que categoría pertenece.
225
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Tabla 6.2 Parámetros de fisura, distribución de carga y geométricos
En el análisis lineal elástico, las tensiones primarias y secundarias se tratan de
idéntico modo. El factor de intensidad de tensiones total es simplemente la
suma de los componentes primarios y secundarios:
tota
KI
= K Ip + K IS
(6.13)
donde los superíndices p y s denotan cantidades primarias y secundarias,
respectivamente. Las tensiones primarias y secundarias se tratan de manera
diferente en el análisis elástico-plástico, como se verá luego.
Las ecuaciones de K permiten incorporar cantidades pequeñas de plasticidad de
la punta de la fisura dentro de la estimación de la intensidad de tensiones. Se
define la longitud eficaz de la fisura como la suma del tamaño de la fisura real,
a, y la zona plástica, rp (ver Figura 6.3). Esta corrección se vuelve significante
σys aproximadamente (mitad de la
para
tensiones
aplicadas
mayores
que
0.5
tensión de fluencia del material), pero se vuelve inexacta para tensiones
226
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
aplicadas por encima de 0.7 σys. En estos casos, la corrección por plasticidad
para una fisura pasante en tensión plana se da por:
K eff = σ YS
8
 πσ
πa  2 ln sec
 2σ YS
π



1
2
(6.14)
La ecuación (6.14) está basada en el análisis de Burdekin y Stone llamado de
fluencia sucesiva. El modelo de fluencia sucesiva (strip yield) modela el
comportamiento del material en el vértice de la fisura como una sucesión de
barritas que van colapsando a medida que la cercanía del vértice de la fisura
eleva la tensión local por encima de la fluencia.
El modelo de fluencia sucesiva puede aplicarse a otras geometrías, pero cada
configuración requiere un análisis separado. Hay, sin embargo, un método
aproximado de generalizar el modelo de fluencia sucesiva con una sola ecuación
que describe todas las geometrías. El criterio de corrección por fluencia
sucesiva de la zona plástica tiene el efecto de aumentar K eff por encima del
valor elástico resultar
lineal. Elennouna
aplicar
una corrección
plasticidad
puede,
consiguiente,
subestimación
de la por
fuerza
impulsora
sobrepor
la
fisura, que llevaría a un análisis no conservativo.
Las estructuras hechas con materiales de alta tenacidad no suelen ser
susceptibles a fractura frágil, pero pueden fallar por colapso plástico si se cargan
excesivamente. El concepto del diagrama de evaluación de falla (FAD) de dos
parámetros describe la interacción entre la fractura
f ractura y el colapso.
En la ecuación (6.14) se define el factor de intensidad de tensiones eficaz para
una fisura en una placa infinita, según el modelo de fluencia sucesiva. Esta
relación es asintótica con la tensión de fluencia, es decir, Keff→∞ cuando
σ→σys. La ecuación (6.14) puede modificarse para estructuras reales
reemplazando σys por la tensión de colapso, σc, para la estructura. Esto asegura
que el modelo de fluencia sucesiva prediga la falla cuando la tensión aplicada se
acerca a la tensión del colapso. Podemos tomar en cuenta el endurecimiento
por trabajado asumiendo el promedio de las tensiones de fluencia y de rotura
(tensión de flujo). Para una estructura cargada en tracción, el colapso ocurre
cuando la tensión en la sección neta alcanza la tensión de colapso del material.
Así el σc depende de las propiedades del material y del tamaño de la falla
relativo a la sección total de la estructura. El diagrama de evaluación de falla a
surge dividiendo la intensidad de tensión eficaz por el K elástico lineal:
π σ
σ 8
= C  2 ln sec
C
KI
σ π
2σ
K eff



1
2
(6.15)
227
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Como paso final, podemos definir la proporción de tensión, Sr, y la proporción
de K, Kr, de la siguiente manera:
KI
σ
(6.16)
σC
K IC
Donde σ es la tensión equivalente neta en el ligamento. El diagrama de
evaluación de falla es obtenido entonces insertando las definiciones anteriores
en la Ec. (6.15) y tomando el recíproco:
Kr =
Sr =
8
 π 
ln
sec
 S r 
2
 2 
π
K r = Sr 
− 12
(6.17)
Figura 6.7
La ecuación (6.17) se grafica en la Figura 6.7. La curva representa el sitio de
falla predicha. La fractura se prevé cuando K eff = KIC si la tenacidad es muy
grande, mientras que la estructura falla por colapso cuando Sr = 1.0. Una
propagación frágil de la fractura ocurrirá cuando Kr = 1. En casos intermedios,
el colapso y la fractura interactúan, y tanto Kr como Sr son menores que 1.0.
Todos los puntos dentro del FAD
F AD se consideran seguros; los puntos fuera
f uera del
diagrama son inseguros. Para evaluar la importancia de una fisura particular en
una estructura, uno debe determinar los valores aplicados de Kr y Sr, y trazar el
punto en la Figura 6.7. La proporción de intensidad de tensión para la
estructura se da por:
228
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
K r ( structure ) =
KI
K IC
(6.18)
La proporción de tensión aplicada puede definirse como la proporción de la
tensión aplicada a la tensión del colapso. Alternativamente, elSr aplicado puede
definirse en términos de fuerzas o momentos axiales. Si las condiciones
aplicadas en el lugar de la estructura se sitúan dentro del FAD, la estructura es
segura. Sólo las tensiones primarias se utilizan para computar a Sr, porque las
tensiones secundarias, por definición, no contribuyen al colapso. Note que K I
es la intensidad de tensiones nominal; no incluye una corrección por zona
plástica. Los efectos plásticos se tienen en cuenta en la formulación del
diagrama de evaluación de falla.
EJEMPLO 6.C Cálculo de tensión aplicada en un defecto preexistente
Este ejemplo forma parte de un análisis de falla para determinar el motivo de
una fractura circunferencial en un gasoducto de 24”, de ¼” de espesor, con más
de 40 años
de servicio.
evaluación
metalúrgica
afectadas
análisis
de las
evidenciasLapermitió
definir
que la de
fallalassezonas
produjo
debidoy ela
discontinuidades preexistentes en el cordón de soldadura circunferencial: falta
de penetración, fusión incompleta, desalineación angular y radial y falta de
huelgo en la raíz, ver Figura 6.C1.
La fisura o defecto plano preexistente, formado por la combinación de falta de
penetración y falta de fusión, se asimila a una fisura circunferencial sobre la
superficie interior del tubo, de 4 mm de profundidad y 84 mm de longitud (ver
zona más oscura en la Figura 6.C1.A)
Defectos de construcción similares se detectaron en otras soldaduras del mismo
caño. La evidencia de pequeñas propagaciones parece indicar que esta sección
sufrió
deformaciones
porgasoducto
movimientos
terreno de
durante
el
servicio.
Gran parte del
correoenasentamientos
zonas con altadeldensidad
uso del
subsuelo: bajo calles en pavimentación, cruzando otras utilizadas como
fluviales, cloacas y agua corriente, etc., por lo que la ocurrencia de movimientos
de suelo de magnitud importante es probable. El plan de mitigación requiere
definir cuál fue la magnitud de la carga axial que provocó la rotura. Esta se
determinó mediante la metodología fractomecánica, utilizando el FAD. La
solución se grafica en la Figura 6.C2. La fractura se prevé cuando K = KIC si la
tenacidad es muy baja, mientras que la estructura falla por colapso cuando Sr =
1.0.
229
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
4
3
2
1
󰁂
󰁄
󰁃
A
Figura 6.C1 (A) Fractura en metal de soldadura circunferencial, defecto preexistente
más oscuro, (B) Detalle de la fractura, (C) Micrografía del cordón en zona fracturada,
(D) Correspondencia de los defectos en zona no fracturada
Figura 6.C2 Posición de la condición de falla en el FAD
230
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Con la longitud de fisura y la tenacidad del material podemos estimar la tensión
longitudinal que provoca la propagación del defecto. La fractotenacidad del
material, KIC, se estima a partir de la correlación de Roberts Newton (ver
Capítulo 4) con el valor de energía absorbida en el ensayo de impacto:
0.63
KIC = 8.43 (CVN)
donde: CVN = 50 J, y KIC es la fractotenacidad del material en MPa m 1/2. La
tenacidad del material de soldadura es:
KIC = 100 MPa m1/2
Consideramos que la falla ocurre por una carga mayoritariamente de tracción en
la sección. Este es el caso de la carga primaria por presión interior y por
desplazamientos axiales impuestos a la cañería. En este caso, la tensión aplicada
en la zona del defecto inicial sufre un aumento despreciable debido a la
reducción de la sección, pues la fuerza se distribuye a lo largo de todo el
perímetro de la soldadura circunferencial, de espesor nominal. Iterando en el
diagrama FAD:
Sr=0,99673181
Kr= (sacando de la curva) 0,48216744
σ = 384,738481 MPa
La tensión normal debida a la presión interna es notablemente menor que la
tensión necesaria para provocar la falla en el modelo propuesto. Para la
condición de falla por fractura desde la superficie interior, a estas tensiones
debemos sumarle:
•
•
las tensiones residuales de soldadura, y
otros esfuerzos externos que contribuyeron al evento de falla.
El proceso constructivo de la tubería genera una distribución de tensiones
residuales lineal en el espesor. Mediciones en tuberías similares revelan que el
valor máximo de tensión residual ocurre en la superficie exterior y es del orden
del 50% de la tensión de fluencia del material del tubo. Si aceptamos una
tensión longitudinal por presión interna de operación de 60 MPa, y una tensión
residual de soldadura en la superficie interna transversal a la junta de 177 MPa,
tenemos una tensión estática total de 237 MPa. El origen de esta tensión
adicional debe buscarse en deformaciones axiales del tubo impuestas por
movimientos del terreno circundante.
231
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
6.7 Modelado mecánico de fisuras longitudinales en tuberías
En cañerías y otros recipientes cilíndricos sometidos a presión interna las
tensiones circunferenciales son por lo menos el doble que las longitudinales. Es
por ello que las fallas de cañerías y otros recipientes cilíndricos provocadas por
la propagación de fisuras longitudinales e iniciadas en las superficies interna o
externa
son mucho
más frecuentes
que las fracturas provocadas por defectos
con
orientación
circunferencial.
circunferenci
al.
La propagación frágil de un defecto longitudinal puede provocar fracturas que
se extiendan a gran distancia en la longitud de una cañería. Una falla de un
gasoducto en Siberia en los años 70 resultó en una fisura de casi 3 Km. de
largo. Los caños que contienen líquidos suelen presentar fracturas
longitudinales mucho más cortas, pues la rápida reducción de presión debida a
la fuga del fluido por la apertura de la fisura reduce marcadamente la presión
interna. Esto reduce rápidamente la tensión circunferencial y por ende la
intensidad de tensiones aplicada en el vértice de la fisura propagante. En el caso
de gases compresibles, o de líquidos que gasifican al caer la presión, esta
reducción es mucho más lenta.
Existen metodologías de análisis específicas para determinar el K aplicado y la
condición de falla para el caso de fisuras longitudinales en tubos y cilindros a
presión interna. Para calcular el K aplicado en fisuras superficiales que inician
en la superficie interior se utiliza, como vimos, la tensión circunferencial, pero a
ésta se le debe sumar una tensión igual a la presión. Esto se debe a que el fluido
genera también una presión en el interior de la fisura que empuja ambas
superficies de fractura en direcciones opuestas y tiende a abrir la fisura, por lo
que se suma a la tensión total aplicada.
Para calcular el K aplicado en fisuras superficiales que inician en la superficie
exterior, se debe considerar el abultamiento exterior que ocurre en defectos en
cilindros de pared delgada. Este efecto se debe a que la presión genera flexión
en el material en la zona de la boca de la fisura, que conduce luego de la falla a
la típica forma de boca de pescado, ver por ejemplo la Figura 6.8.
232
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Figura 6.8 Forma de boca de pescado
El efecto de esta tensión secundaria sobre la fuerza impulsora para la
propagación de la fisura se cuantifica mediante un factor de magnificación
denominado Factor de Folias M, que multiplica al factor de corrección Y
(Ecuación 6.11). La forma exacta de este factor es una serie infinita de
términos. Usualmente se lo calcula como un desarrollo parcial de la serie
infinita. Una forma abreviada utilizada comúnmente es:
2
M
=
4
( L 2)
1 + 1.255
( L 2)
− 0.0135
( RT )
( RT )
2
(6.19)
donde:
T = Espesor de pared
L = Longitud de la fisura o región corroída proyectada en el eje
longitudinal
R = Radio del tubo
El Factor de corrección de Folias, así como todas las magnitudes geométricas
de discontinuidades y defectos, están normalizadas respecto del “tamaño” del
recipiente o caño, dado por el promedio geométrico entre diámetro y espesor:
Tamaño = (Dt)1/2
233
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Debido a su importancia tecnológica, existen métodos de evaluación de
criticidad específicos para fisuras longitudinales en cañerías. En la sección
previa se discutió en cierto detalle el Método del Diagrama de Evaluación de
Falla. En vez de ser utilizado en forma gráfica, este método puede utilizarse
aplicando directamente la Ec. 6.40, que define la curva de criticidad de fisura.
Esta ecuación da lugar al método del Logaritmo de la Secante, utilizado en
Norteamérica,
y al SINTAP
Método CDF
(CrackINTegrity
Driving Force),
como Procedure).
está definidoLos
en
el
código europeo
(Structural
Assessment
cálculos se hacen sobre la base del parámetro K efectivo aplicado que, como
vimos, caracteriza completamente
completamente el estado total ddee tensión y deformación en el
vértice de la fisura.
El método FAD se utiliza también en el procedimiento británico R6, en la
norma inglesa BS 7910, en la Práctica Recomendada API 579 (de la que nos
ocuparemos en cierto detalle en un próximo capítulo) y en procedimientos de
EXXON, INSTA, y MPC. El método CDF se utiliza en ETM y GE-EPRI
(General Electric, Electric Power Research Institute, USA). En estos
documentos se proponen tres o más niveles de complejidad y exactitud
crecientes, los diferentes niveles generan diferentes expresiones que definen los
FAD
o CDF utilizados
en el análisis.
El nivel
de análisis
principalmente
por el grado
de detalle
de los
datos dequeda
σ-ε determinado
del material
utilizados, y de la confiabilidad de las estimaciones de las tensiones aplicadas y
tamaños de defectos presentes en el componente.
Especialistas en integridad de ductos han desarrollado otros métodos para la
estimación de la criticidad de fisuras longitudinales en cañerías. El método
CORLAS consiste en un software que calcula el largo al cual un defecto pasante
produce la fractura. Similarmente al FAD, el Pipe Axial Flaw Failure Criterion
(PAFFC), utiliza una formulación gráfica. Los gráficos predicen la tensión
circunferencial de falla, como una fracción de la tensión de fluencia del
material, en función de la longitud de la fisura superficial, con curvas
parametrizadas en función de la relación a/c (profundidad / longitud del
defecto). La Figura 6.9 muestra un ejemplo de este tipo de cómputo, para un
gasoducto de 30 pulgadas de diámetro, cuyas condiciones de operación figuran
en el cuadro inferior. Para defectos pequeños, las tensiones de falla son muy
superiores a la tensión de fluencia del material. Esto nos indica que el material
fallará por colapso plástico, antes que por propagación de la fractura.
234
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
Figura 6.9
6.8 Modelado mecánico de la propagación de Fisuras por Fatiga
Hemos visto, en lo que va del capítulo, las herramientas que disponemos para
modelar el evento de la falla final, una vez definidas las propiedades del
material, las cargas aplicadas y la geometría de los defectos previos. En algunos
casos las técnicas de modelado mecánico son también útiles para definir la
evolución en servicio de los defectos que finalmente dieron lugar a la falla. Es
decir, es posible modelar la propagación subcrítica en servicio de esos defectos,
para repetir la historia
historia en el tiempo. En rigor, solamente en el caso de fatiga
fatiga,, la
precisión de las técnicas numéricas son lo suficientemente precisas como para
poder utilizarse para predecir en qué momento los defectos se formaron y
comenzaron a propagar.
Hemos definido como fatiga mecánica al proceso por el cual un defecto (en
general inicialmente tan pequeño que no es detectado), por ejemplo un poro,
inclusión o rechupe producido durante la solidificación del material, una marca
de mecanizado, microfisuras en interfases, etc., propaga durante el servicio de la
estructura como consecuencia de la cargas cíclicas aplicadas.
235
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Hemos visto en el Capítulo 5 que el proceso de fatiga se divide en dos etapas:
iniciación de una fisura a partir de los defectos preexistentes y propagación de
la fisura hasta que la misma alcanza un tamaño crítico y se produce la fractura
final instantánea. El proceso de iniciación es muy aleatorio y no tenemos
herramientas de modelado suficientemente precisas. Sin embargo, la
propagación de una fisura ya desarrollada puede, en algunos casos, ser
modelado con cierta precisión.
Cuando un cuerpo fisurado es sometido a cargas cíclicas, la fisura puede
propagarse en condiciones subcríticas, es decir para K < KC. El procedimiento
para estudiar casos donde la fluencia es de pequeña escala y la amplitud del
ciclo de fatiga es constante está bien comprendido y es ampliamente utilizado
para el análisis de cuerpos fisurados de metal u otro material mediante la así
denominada “ley de Paris”.
Datos experimentales muestran que la velocidad de propagación de la fisura es
función de la variación de K aplicada en el ciclo; ∆K = Kmax – Kmin; y del
parámetro de carga R = Kmin / Kmax, según una expresión de la forma:
da = f (∆K , R )
dN
(6.20)
Donde da / dN es la propagación de la fisura por ciclo. El número de ciclos
necesario para propagar una fisura desde la longitud inicial a0 a la final af, es:
af
N =
da
∫ f (∆K , R )
(6.21)
a0
Al determinar experimentalmente
experimentalmente la relación funcional entre la velocidad de
crecimiento de una fisura da / dN, y el parámetro ∆K producido por un ciclo
de cargas, los metales usualmente muestran el comportamiento que se observa
en la Figura 5.15.
5.15. El crecimiento
crecimiento en la región II queda
queda adecuadamente
adecuadamente
expresado por la siguiente ecuación, la “ley de Paris”:
da
dN
= C ⋅ ∆K m
(6.22)
C y m son constantes del material que se determinan experimentalmente, como
hemos visto en el Capítulo
Capítulo 5. En la Tabla
Tabla 6.3 se presentan vvalores
alores de C y m
para varias clases de materiales.
236
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
MATERIAL
Acero ferrítico
perlítico
Aceros
martensíticos
Aceros
inoxidables
Soldadura ERW
Aceros
estructurales
(conservativo)
ECUACIÓN Y UNIDADES
3.0
da
(m / ciclo) = 6.9(10 −12 )(∆K MPa m )
dN
2.25
da
(m / ciclo) = 1.35(10 −10 )(∆K MPa m )
dN
3.25
da
(m / ciclo) = 5.6(10 −12 )(∆K MPa m )
dN
5
da
(m / ciclo) = 6(10 −11 ) ∆K MPa m
dN
3
da
−11
(m / ciclo) = (10 ) ∆K MPa m
dN
(
(
)
)
Tabla 6.3 Ecuaciones con las constantes de Paris para algunos aceros
Para estimar el tiempo o número de ciclos que llevaron a que la fisura tenga el
tamaño que llegó a tener al momento de la falla, se realiza una integración de la
propagación de la fisura. La integración se realiza entre el tamaño máximo que
pudiera haber tenido al inicio (definido, por ejemplo, como el máximo defecto
presente que pudo haber escapado su detección durante la inspección anterior a
su puesta en servicio) y el tamaño que produjo la falla del componente o
estructura (según se definió en las secciones anteriores).
Como vimos, K responde a una forma general del tipo: ∆K = Y ∆σ π a donde σ
es la tensión aplicada, a es la profundidad de fisura e Y es un factor que
depende de la geometría, en particular de la longitud superficial c de la fisura
(relación a/c) y del espesor del componente. Debido a que la velocidad de
propagación
depende del
tamaño
y geometría
de la fisura,
que ∆n,
a sudonde
vez va
variando,
normalmente
se debe
recurrir
a la integración
por pasos
se
reemplaza la ecuación diferencial por una incremental aproximada:
∆a/∆n = C ∆Km
(6.23)
Reacomodando los términos e integrando ambos lados de la ecuación (6.22), se
tiene:
∫
af
a0
da =
∫
Nf
0
m
C (∆K I ) dN
(6.24)
Aquí, a0 es la longitud inicial de la fisura, af es la longitud final correspondiente
a la falla y Nf es el número de ciclos estimado que se requiere para que se
produzca la falla. Nótese que la relación K I/K0 puede variar en el intervalo de
237
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
integración. También es común que al ir variando la forma de la fisura durante
su propagación, vaya variando la relación entre a y K. En estos casos se puede
recurrir a la integración numérica:
m
δa = C (∆K ) j (δN )
a j +1 = a j + δa j
N j +1 = N j + δN j
N j = ∑ δN j
Aquí δaj y δNj son incrementos de la longitud de la fisura y m es el número de
ciclos. El procedimiento consiste en seleccionar un valor de δNj, calcular 󲈆K
utilizando a0 y después obtener el siguiente valor de a. Se repite hasta que a = af.
EJEMPLO 6.D Modelado de propagación por Fatiga en compresor
El objetivo del modelado aquí presentado fue determinar el origen y las razones
de la falla de un compresor en una planta petroquímica. Se analizaron las
características de varias fisuras y otros defectos presentes en los componentes
afectados, se definieron las propiedades de los materiales y se realizaron
modelos mecánicos y numéricos.
Se trata de un compresor reciprocante de dos cilindros. La falla se debió a una
fisura perimetral desarrollada entre los dos agujeros del perno, en la cruceta de
uno de los cilindros. Esta fisura es denominada fisura principal. Otra fisura
previa, en la parte superior de la cruceta, es denominada fisura remanente
(Figura 6.D1). Se desmontó esta parte de la máquina varias veces para corregir
algunas anormalidades. El objeto del modelado fue determinar en qué
momento se produjeron modificaciones que condujeron al comienzo de la
propagación
de una fisura por fatiga, que eventualmente creció hasta producir
la rotura del compresor.
Un defecto subsuperficial de 5 mm por 10 mm cerca del agujero central de la
cruceta, producido por un rechupe durante la solidificación del acero fundido,
propagó para formar inicialmente una fisura intergranular de por 9 mm por 12
mm, en esquina sobre la superficie del agujero. El modelado por elementos
finitos de la cruceta permitió definir que la tensión máxima aplicada en el sitio
de iniciación es 250 MPa, y que el rango de tensión cíclica en el agujero central
en funcionamiento normal es 127 MPa. Esta fisura inicial propagó por fatiga, a
ambos lados del agujero, creando la fisura remanente.
Se realizó un modelado de la propagación por fatiga utilizando la ley de Paris y
un método basado en funciones de peso. Este método permitió además
predecir la forma que fue tomando la fisura remanente (Figura 6.D2) que se
238
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
comparó con las marcas de playa dejadas en las superficies de fisura para
verificar la concordancia
concordancia del modelo.
Agujero central
Fisura remanente
Fisura principal
Figura 6.D1 Modelo de cuarto de cruceta del compresor
Figura 6.D2 Modelado numérico de la propagación por fatiga de la fisura remanente
239
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Los resultados del modelado por elementos finitos y mecánica de fractura dan
un factor de intensidad de tensiones cíclico por encima del umbral para el
crecimiento de fisuras por fatiga. Integrando la ecuación de Paris de
propagación por fatiga para materiales similares, entre los tamaños de fisura la
inicial y final, se obtiene una vida estimada de entre 50 y 80 millones de ciclos,
ver Figura 6.D3. Esto es menos de un cuarto de la operación total del
compresor, estimada en 350 millones de ciclos.
Figura 6.D3 Estimación numérica de la profundidad de fisura (s)
en función de los ciclos de fatiga, en millones de ciclos
Por consiguiente, fue posible definir con suficiente precisión que la fisura había
comenzado a propagar a partir de un problema de armado, luego de una
operación de mantenimiento aproximadamente seis meses antes de la falla final.
En el momento de la falla, las fisuras propagadas habían formado una fisura
superficial de 250 mm de largo, centrada en el agujero de la cima de la cruceta.
En esta fase la fisura había entrado en una región de tensiones cíclicas bajas,
por lo que su tasa de crecimiento era muy baja. Los resultados del análisis de
falla escapan al propósito de este ejemplo, pero el lector puede encontrar
mayores detalles del modelo desarrollado en dos de las referencias listadas al
final del capítulo.
6.9 Determinación de tenacidad a la fractura en muestras post - falla
Hemos visto en este Capítulo que para el análisis de componentes fisurados es
esencial conocer los valores de tenacidad de su material. Esta propiedad del
material
afecta lasignificativamente
el comportamiento
a laplástica
fractura.
tenacidad
se mide como
energía consumida
por la deformación
en La
el vértice
de
240
Capítulo 6: Herramientas de modelado mecánico aplicadas al análisis de fallas
una fractura al momento de su propagación (ya vimos los ensayos de impacto
Charpy, KIc, JIc en el Capitulo 5). Pero los materiales tienen una resistencia
característica, por lo cual la tenacidad esta en gran medida relacionada con su
capacidad de deformación plástica, que puede medirse en términos de una
cierta distancia de desplazamiento (método de Crack Tip Opening
Displacement o CTOD, δ5, etc.). Todos estos métodos requieren ensayos
destructivos
de laboratorio
extraídas
del componente
real.sobre muestras mecanizadas de cierta geometría,
Una propiedad en común de muchos métodos modernos para la predicción de
fallas involucra la existencia de una longitud característica, dependiente del
material, comúnmente llamada distancia crítica. Una variante de estas técnicas
permite estimar la tenacidad del material, a partir de mediciones del ancho de
los labios de corte o shear lips (BSL). Hemos visto en los Capítulos 2 y 3 que
estos labios de corte, ubicados en las zonas de una superficie de
de fractura
cercanas a las superficies de la pieza, identifican la transición entre las zonas de
fractura frágil (cercana al centro del espesor) y dúctil adyacente a las superficies,
ver por ejemplo
ejemplo las Fig. 2.9 y 2.B.1.
La
a la fractura
versus en
la relación
de tamaño
del en
labioservicio.
de corteSetiene
unatenacidad
importancia
considerable
el análisis
de fallas
ha
demostrado teórica y experimentalmente que el tamaño de los labios de corte o
shear lips, medidos en la superficie libre de una muestra o componente, es
independiente del espesor del componente, y está relacionado con la tenacidad
a la fractura, KIC.
En el caso de una falla que involucra propagación de una fractura, se dispone
de un “ensayo” en condiciones reales, y una oportunidad excelente si se
aprovechan en su máximo las posibilidades de las tecnologías de análisis y
modelado. Una inspección cuidadosa y conocimiento de las ecuaciones de
fractomecánica permiten obtener estimaciones de la tenacidad real del material
al momento del evento. Esto puede realizarse a través de algunos parámetros:
•
•
•
•
•
•
Contracción lateral durante propagación de fractura.
Tamaño de zona plastificada
plastificada en el vértice de la fisura.
Angulo de apertura
apertura de la boca de la
la fractura.
Deformación a una cierta distancia característica de la superficie de
entallas y otros concentradores
concentradores de tensiones.
t ensiones.
Profundidad de indentaciones y correlaciones entre dureza y
resistencia.
Ancho de los labios
labios de corte.
Estos métodos son indirectos, y tienen aplicaciones con formulas aproximadas
de correlación validadas dentro de ciertos rangos, utilizando las ecuaciones de la
mecánica de fractura lineal elástica. El tamaño de los BSL, medidos en la
superficie libre de una muestra o componente, es independiente del espesor del
241
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
componente y está relacionado con la tenacidad a la fractura, KIC. Este
comportamiento se debe a que BSL es aproximadamente igual al tamaño de la
zona plástica en tensión plana, ry, en las superficies de una placa, que desde el
análisis teórico ha demostrado ser
ry = π/8 (KIC/σYS)2.
donde σys es la tensión de fluencia del material. Utilizando la expresión teórica
y los datos del material, obtenemos:
KIC = (2.44 BSL)1/2 σYS
Recientes aplicaciones de estas correlaciones en análisis de fallas han resultado
en estimaciones de tenacidad conservativas.
BIBLIOGRAFÍA
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242
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Soldadura Circunferencial en Gasoducto Metrogas Tramo VII.
Metrogas. 2009.
243
CAPÍTULO 7
ANALISIS DE CAUSAS RAIZ
7.1 Introducción
7.2 La explosión del trasbordador espacial Challenger
7.3
7.4
7.5
Metodología
general
Análisis
de Causa
raíz
EJEMPLO 7.A
¿Undel
fusible
quemado
es una
un
a falla?
El árbol de causa - efecto
Recopilación de datos: entrevistas y declaraciones
EJEMPLO 7.B Árbol de causa efecto en una reparación “hot tap”
7.6 Recopilación de datos: documentos y registros
7.7 Falsación e iteración, coincidencia y causalidad
EJEMPLO 7.C Análisis de causas raíz de falla en cruce dirigido
7.8 Niveles de un análisis de falla
7.9 Formatos alternativos de investigación de fallas
EJEMPLO 7.D RCA de incendio en horno en planta petroquímica
BIBLIOGRAFÍA
7.1 Introducción
La investigación científica de un accidente, evento catastrófico o falla debe estar
estructurada como una pirámide. Debe existir una gran base de hechos
verificables y pruebas en la parte inferior. Estos hechos constituyen la base de
análisis basados en principios científicos y métodos comprobados. El
investigador compara los hechos y resultados analíticos de las diversas
declaraciones de testigos y participantes. Enlaza lo que es posible y lo que no es
posible. Si la declaración de un testigo no encaja dentro de estos límites, no es
confiable. La lógica proporciona orden y coherencia a todas las declaraciones,
hechos, principios y metodologías que se ejercen sobre un caso particular. Para
una investigación de primer nivel, la lógica que conecta las piezas debe ser
racional.
Los hechos y análisis, tomados en conjunto, apoyan luego un pequeño número
de conclusiones que forman el vértice de la pirámide. Las conclusiones deben
basarse directamente en los hechos y análisis y no en otras conclusiones,
supuestos o hipótesis. Si los hechos están organizados lógicamente y
sistemáticamente, las conclusiones deberían ser casi evidentes. El Análisis de
Causa Raíz (RCA) se utiliza a menudo en relación con los aspectos de
desempeño humano o gerencial, y de la manera en que pueden mejorarse los
procedimientos y técnicas de gestión para impedir que el problema se vuelva a
producir. Los análisis de causa raíz se utilizan a menudo en asociación con
grandes sistemas, tales como plantas y proyectos, donde hay un gran énfasis en
la seguridad y aseguramiento de la calidad a través de procedimientos formal245
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
izados. Se presume que si las causas verdaderas se identifican y, a continuación,
se corrigen, el evento no se repetirá; al menos no de la misma manera.
Después de que se ha determinado la causa fundamental para un evento, la
intención de la acción correctiva es evitar el evento recurrente por la misma
razón: para mitigar las consecuencias si reaparece, o para reducir la probabilidad
de que se repita por la misma razón.
El termino Ingeniería
connota que
algo legal
sobreo la
investigación
del evento forense
se referiránormalmente
a la ley, los tribunales,
el debate
divulgación. Hemos visto (Capítulo 1) que cuando se prevén consecuencias
litigiosas, el análisis se aparta de algunos de los principios de RCA discutidos en
este capítulo. Volveremos sobre esto nuevamente en el Capítulo 10. En lo que
sigue, haremos una revisión histórica de una de las fallas recientes que dio
origen a lo que se denominó el método NASA de Análisis de Causas Raíz.
7.2 La explosión del trasbordador espacial Challenger
Cuando la era espacial amaneció en la segunda mitad del siglo XX, las leyes
físicas básicas necesarias
necesarias para diseñar
diseñar y volar la nave se creían casi aclaradas.
De
lo contrario,
enlas
órbita
más allá habríanPero
sido conocer
sólo un
sueño
fantasioso.losElvuelos
truco tripulados
fue explotar
leyesy correctamente.
las leyes de la naturaleza no es suficiente para que un equipo compita con ellas
exitosamente. Se necesita un genio creativo de la ingeniería para diseñar una
nave que no sólo despegue con éxito, sino que también orbite la Tierra, vuelva
a entrar a nuestra atmósfera y planee a un aterrizaje seguro. El éxito exige la
integración de una gran cantidad de conocimientos y logros especializados de
equipos de ingenieros que participan en las complejidades de cohetes,
combustión, estructuras, aerodinámica, soporte vital, transferencia de calor,
control de computadoras y un sinfín de otras especialidades.
El programa del transbordador espacial (EEUU, 1980-2010) requirió una gran
cantidad de ingenieros y directivos para cumplir a su misión. Cada
transbordador consistía en millones de piezas que sugerían el grado de
complejidad de todo el sistema de hardware, software y operaciones. En la
década de 1980, los directores de la Administración Nacional de Aeronáutica y
del Espacio de EEUU (NASA) estimaban que los vuelos serían 99,999%
confiables. Esto representa una tasa de falla de 1 en 100.000, e implicaría que
uno podría lanzar un transbordador al espacio cada día durante 300 años y
esperar perder sólo uno. Los ingenieros, que están más familiarizados con el
transbordador mismo y con máquinas en general, predijeron sólo una tasa de
éxito del 99%, esto es, un error cada 100 lanzamientos. Un oficial de seguridad
a cargo, que personalmente observó las pruebas de lanzamiento durante la fase
de desarrollo de los motores del cohete, previó una tasa de falla de 1 en 25. El
accidente del Challenger demostró en 1986 que esa estimación era la tasa de
falla real, y como resultado una tasa de éxito del 96% después de exactamente
25 lanzamientos.
246
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Tuvimos suerte, resumió la NASA con respecto a los resultados de un análisis
retrospectivo de riego publicado a principios de 2011. La posibilidad de que una
falla catastrófica ocurriera en las primeras nueve misiones del transbordador
fue, de hecho, tan alta como 1 en 9. En las siguientes dieciséis misiones, que
incluían a la misión Challenger de 1986, las probabilidades de una falla fueron
de 1 en 10.
El "taxi espacial” americano Shuttle utilizaba dos cohetes impulsores de
combustible sólido (SRB, Solid Rocket Booster). La Figura 7.1a muestra una
foto del vehículo en su condición de lanzamiento: la nave principal, dos cohetes
booster a cada lado, y el tanque de combustible líquido, cuerpo de mayor
volumen al momento
momento del lanzami
lanzamiento.
ento.
Los cohetes SRB eran tanques largos y finos
f inos que debían construirse en sectores.
Los fabricaba una empresa llamada Thiokol, en Utah. La unión entre los tramos
del tanque incluía una serie de elementos de fijación y sellado, entre ellos, dos
anillos de goma, u “O-rings”, Figura 7.1b.
La lucha de los transbordadores espaciales contra la fuerza de gravedad era
evidente
en los primeros
lentos
y agonizantes
segundos
de Shuttle
despegue
durante
cada lanzamiento
desde Cabo
Cañaveral.
La falla
del Space
Challenger
ocurrió el 28 de enero de 1986 (misión STS-51-L).
STS-51-L). A seis segundos del
despegue, se encendió el motor principal. Cuando el motor alcanzó su potencia
máxima, se conectaron los dos cohetes impulsores del transbordador,
montados sobre el enorme
enorme depósito naranja de combustible
combustible líquido. Treinta y
seis segundos más tarde el Challenger atravesó la barrera del sonido. De pronto
el transbordador fue golpeado por un violento viento de costado. Al detectar
graves fluctuaciones en la ruta de vuelo, el sistema de control ordenó al sistema
de potencia de los cohetes impulsores que la compensara. Es así que los
motores del transbordador aumentaron la potencia un 104 %.
En ese momento una lengua de fuego que no había sido detectada empezó a
lamer las junturas del cohete impulsor de estribor, Figura 7.1c. Cuando el
transbordador llevaba setenta y dos segundos volando, el hidrógeno que se
filtraba del depósito de combustible se encendió. El cohete impulsor giró sobre
sus amarres y perforó el depósito de combustible, que se desgarró de arriba
abajo. En la explosión resultante, cientos de toneladas de combustible líquido
envolvieron al transbordador en una bola de fuego.
f uego. Los dos cohetes impulsores
salieron despedidos. Luego la explosión desprendió el transbordador, Figura
7.1d. Todo pasó tan deprisa que no hubo tiempo para poner en marcha
ninguna maniobra de emergencia. En cualquier caso, el transbordador no iba
equipado con asientos eyectables.
247
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
󰁅󰁘󰁔󰁅󰁒󰁎󰁏
󰁉󰁎󰁔󰁅󰁒󰁎󰁏
󰁓󰁥󰁧󰁭󰁥󰁮󰁴󰁯 󰁤󰁥
󰁁󰁩󰁳󰁬󰁡󰁣󰁩󰁯󰁮
󰁴󰁡󰁮󰁱󰁵󰁥
󰁏󰀭󰁒󰁩󰁮󰁧󰁳
󰁆󰁕󰁇󰁁
󰁁󰁩󰁳󰁬󰁡󰁣󰁩󰁯󰁮
A
󰁓󰁥󰁧󰁭󰁥󰁮󰁴󰁯 󰁤󰁥
󰁴󰁡󰁮󰁱󰁵󰁥
C
D
Figura 7.1 (a, b, c, d)
248
B
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
El comandante había abierto el canal de radio, pero no tuvo tiempo de decir
nada. Oyeron al piloto exclamar: “Oh, oh”. Mientras el transbordador se
desintegraba en el aire, algunos integrantes intentaron activar sus suministros de
oxígeno de emergencia. Pero aunque la cabina se conservó prácticamente
intacta hasta precipitarse en las frías aguas del océano Atlántico, a catorce
kilómetros, la presión aerodinámica mató a todos los que sobrevivieron a la
explosión
inicial. LosPese
familiares
y amigosque
de los
contemplaban
cielo,
horrorizados.
a ser evidente
algotripulantes
terrible había
ocurrido, el
sistema de megafonía seguía proporcionando datos de la altitud y la velocidad
del transbordador. Finalmente
F inalmente el hechizo se rompió. La voz flemática del
sistema de megafonía anunció: “Los controladores de vuelo están analizando la
situación. Aparentemente se ha producido un grave fallo”.
f allo”.
El presidente Reagan encargó a una comisión la investigación del accidente. El
lanzamiento de transbordadores se canceló mientras la comisión deliberaba y la
NASA se planteó la posibilidad de lanzar satélites “a la antigua”, utilizando
cohetes sin tripulación.
El lanzamiento d cohetes sin tripulación se lleva a cabo hoy con cohetes rusos y
de otros
países.y De
hecho,
desde que
de trasbordadores
fue dada
de baja
en
Julio 2011
hasta
al momento
de lala flota
escritura
de este libro, solo
los cohetes
rusos Soyuz tienen capacidad de intercambio con la estación orbital
internacional, para el envío de personal y provisiones. Una empresa privada con
base en California, SpaceX, está utilizando las capacidades de la NASA para
lanzamientos de prueba de cohetes Falcon con cápsulas no tripuladas Dragon,
con destino a la base espacial.
La comisión analizó la película del vuelo y detectó la llama fatal del cohete
impulsor SRB de estribor. En la película del despegue también se veían nubes
de humo que salían de las junturas del cohete impulsor SRB de estribor. La
comisión llegó a la conclusión de que los aros de goma que debían haber
sellado la junta entre los segmentos del cohete impulsor habían fallado en el
despegue, ver resaltado en la Figura 7.1a. La falla se debió a un diseño
defectuoso. La empresa Thiokol había advertido a la NASA de esos problemas.
Los aros de goma podían fallar a bajas temperaturas. Algunos ingenieros de la
empresa habían llegado a aconsejar que se suspendieran los lanzamientos hasta
que se encontrara una solución al problema. Cuando dos miembros de la
comisión presidencial lo oyeron, comentaron que la NASA estaba jugando a
“una especie de ruleta rusa cada vez que lanzaban el transbordador”. Los viejos
aros de goma se descartaron y se diseñó y probó un nuevo tipo de mecanismo
para el sellado de las juntas. En 1988, cuando los científicos de la NASA
quedaron satisfechos, los vuelos espaciales se reanudaron.
La falla del Challenger obligó a replantear los detalles del diseño y operación del
transbordador y se hicieron cambios en base a las lecciones aprendidas.
Después de una pausa de veinte meses se reanudaron las misiones y la flota de
249
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
transbordadores voló exitosamente hasta la misión 113ª, que terminó con la
desintegración del Columbia en su entrada a la atmósfera terrestre en 2003. Las
mejoras desarrolladas en esos 20 meses llevó la probabilidad de falla a 1 en
38. Las probabilidades fueron cambiando durante el programa porque se
realizaban constantes modificaciones en el sistema. Por ejemplo, cuando la
Agencia de Protección Ambiental (EPA) prohibió el uso del freón, la NASA
tuvo que dejar
de El
usarlo
para soplar
espuma
aislanteal en
el no
tanque
de
combustible
externo.
compuesto
utilizado
para sustituir
freón
permitía
que la espuma se adhiriera al tanque y como resultado se derramaba más
espuma durante el despegue y el vuelo. Esto aumentaba el riesgo de accidentes
como el que finalmente destruiría al transbordador Columbia. Para las nueve
misiones que siguieron a la prohibición de freón, las probabilidades de desastre
aumentaron de 1 en 38 a 1 en 21.
Una de las consecuencias más importantes del accidente del Challenger fue la
creación de tecnologías de análisis de causa raíz por parte de la NASA, que
discutiremos en este capítulo. Amén de las deficiencias en el diseño, el análisis
de la falla mostró las serias falencias organizacionales que llevaron a su
ocurrencia. El entendimiento de estas falencias ha llevado entre otras cosas al
desarrollo
laslatécnicas
del árboldedelasfallas
(eventos,
excedidas) de
para
determinación
causas
raíz. defectos previos y barreras
La industria de generación nuclear de energía eléctrica es sin dudas la que
genera consecuencias más riesgosas en caso de un accidente, por las
consecuencias potenciales de un escape radiactivo para todas las especies
biológicas, incluyendo, claro está, a los humanos. En EEUU, las plantas
nucleares de generación eléctrica están controladas por el Departamento de
Energía (DOE). En 1992, este organismo emitió la norma DOE-NE-STD1004-92, una guía para los análisis de causa raíz especificados por la orden
DOE 5000.3A.
7.3 Metodología general del Análisis de Causas Raíz
Cuando un equipo de investigación ha realizado un Análisis de Causa de Raíz,
usualmente indicado como ACR o RCA (Root Cause Analysis, por sus siglas en
inglés), describe los resultados de evaluaciones detalladas de distintos aspectos
de los antecedentes y condiciones que condujeron a la falla, o, en forma más
general, un resultado indeseado. Ejemplos de resultados indeseados: falla,
anomalía, equipo roto, producto defectuoso, problema, incidente, accidente,
etc.
Al realizar un análisis de causa de raíz, es necesario más que simplemente
detectar la causa inmediatamente visible, a menudo la causa inmediata. Las
causas raíz son más difíciles de ver. Sin embargo, ellas pueden contribuir
significativamente al resultado indeseado y, si no se corrigen, continuarán
250
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
creando tipos similares de problemas. Cada rama desarrollada durante el análisis
alcanzará aproximadamente el mismo nivel de causalidad.
Causas Inmediatas: el evento que ocurrió y cualquier condición que existió
inmediatamente antes del resultado indeseado, que directamente produjo su
ocurrencia y, si hubiera sido eliminado o modificado, habría prevenido el
resultado indeseado. Se las conoce también como causas directas.
Causas Raíz: cada uno de los múltiples factores (eventos, condiciones o
factores orgánicos) que crearon o contribuyeron a crear una causa inmediata y
el resultado indeseado subsiguiente. Si hubieran sido eliminadas o modificadas,
se habría prevenido el resultado indeseado. Típicamente, múltiples causas raíz
contribuyen a un resultado indeseado.
Análisis de Causas Raíz (RCA): es un método estructurado de evaluación
que identifica la causa raíz de un resultado indeseado, y las acciones adecuadas
para prevenir su repetición. El análisis de causa raíz continúa hasta que los
factores orgánicos se han identificado o hasta que los datos sean exhaustos. El
RCA es un método que ayuda a los profesionales a determinar las tres
preguntas
definidas
en eldeprólogo:
que pasó,
pasó ydel
porpasado.
qué pasó.
Permite también
aprender
los problemas,
fallascómo
y accidentes
El propósito del Análisis de las Causas Raíz RCA es identificar la/s causa/s raíz
para que estas fallas latentes puedan eliminarse o modificarse y puedan
prevenirse ocurrencias futuras de problemas o accidentes similares. Si el análisis
de causa de raíz no se realiza y el analista sólo identifica y arregla las causas
inmediatas, entonces las causas subyacentes pueden continuar produciendo
problemas similares en las mismas áreas o áreas relacionadas.
El análisis de causa raíz busca identificar los problemas sistémicos, como falta
de presupuesto de mantenimiento, y corrige éstos para que problemas o
accidentes relacionados no ocurran nuevamente. Las bases del RCA son:
•
•
•
•
•
•
Definir claramente el resultado indeseado.
Recoger datos, incluso una lista de todas las causas potenciales.
Crear un árbol de eventos y factores causales.
Continuar preguntando “por qué” para identificar causas raíz.
Verificar la lógica y eliminar elementos
elementos que no son causas.
causas.
Generan soluciones que se dirigen a las causas inmediatas y a las causas
raíz.
Cada causa puede ser de tres tipos:
1. Una condición del sistema, previa a la falla (por ejemplo, material
inadecuado, defecto de fabricación, errores en los sistemas de control, etc.).
251
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
2. Un evento que ocurrió al momento de la falla y que contribuyó
sustancialmente a ella (parámetros operativos por encima de los admisibles o
nominales, sobrepresiones, errores en las
las maniobras de puesta en marcha
marcha o
salida de servicio, daño por terceros, eventos naturales como terremoto o
tsunami, etc.).
3. Una barrera excedida, esto es, un dispositivo de seguridad que ante la
ocurrencia
evento
la falla,
no lo hizo
(ejemplos:
una
válvuladedeun
alivio
antedebió
sobrehaber
cargaevitado
operativa,
unapero
evaluación
no destructiva
que no detecta un defecto de fabricación,
f abricación, etc.).
La normativa de DOE define que cada RCA y el proceso
proceso de presentación de
de
informes deberá incluir cinco fases diferenciadas, aunque reconoce pueda haber
cierta superposición entre ellas:
Fase I Recopilación de datos. La información que debe recopilarse consiste
en condiciones antes, durante y después del incidente (evento, accidente):
participación del personal, factores ambientales y toda otra información de
relevancia.
Fase II Evaluación. Incluye los siguientes pasos:
a. Identificar el problema.
b. Determinar
importancia
del problema.
c.
Identificar lasla causas
(condiciones
o acciones) inmediatamente
anteriores.
d. Identificar las razones de estas causas, hasta llegar a las causas
raíz.
Fase III Acciones correctivas. La implementación de acciones correctivas
eficaces para cada causa reduce la probabilidad de que un problema se repita y
mejora la fiabilidad y seguridad.
Fase IV Informes. Los Informes y el sistema de procesamiento (ORPS) son
parte del proceso requerido por DOE. También se incluye discutir y explicar
los resultados del análisis con la administración y el personal implicado,
incluyendo las acciones correctivas.
Fase V Seguimiento. El seguimiento incluye determinar si la acción correctiva
ha sido eficaz en resolver los problemas. Una revisión de la eficacia es esencial
para garantizar que las medidas correctivas se han implementado y se pueda
prevenir la recurrencia.
En este Capítulo discutiremos en cierto detalle las fases I y II, en el Capítulo 10
retomaremos las fases III, IV y V.
EJEMPLO 7.A ¿Un fusible quemado es una
u na falla?
Este ejemplo se utiliza frecuentemente en los textos y cursos de RCA. Un
fusible en el circuito eléctrico se quema y causa que las luces de un edificio se
apaguen. Usted puede identificar la causa inmediata, “el fusible se quemó”, y
reemplazar el fusible. Usted también puede identificar la causa intermedia: “un
252
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
corto circuito” y repara el cable que se cortocircuitó. Sin embargo, si usted no
identifica y corrige el factor orgánico que llevó al fusible a saltar (por ejemplo,
falta de mantenimiento del cableado porque el presupuesto de mantenimiento
era insuficiente), otros sistemas pueden tener fallas similares debido a falta de
mantenimiento.
Pero esteeléctrico
ejemplo para
parte que
de una
premisadeerrónea:
estáuna
colocado
en el
sistema
funcione
barrera.el fusible
Es decir,
sobrecarga
provoca la rotura de este elemento, y con ello se evita la ocurrencia de una falla
de mayores consecuencias, como sería el caso de un incendio del cableado. Es
común considerar al funcionamiento de una barrera como una falla, pues el
sistema está diseñado para que no se produzca.
Otros casos de barreras NO excedidas se dan por ejemplo en roturas durante la
prueba de carga de un elemento estructural nuevo, cuando se detectan daños
durante inspecciones o ensayos, etc. Un caso reciente, del que hablaremos
luego, es la aparición de fugas en ductos enterrados cuando se realizan pozos
donde se sospecha la existencia de arrugas o pérdidas de espesor, a partir de
evaluaciones no destructivas y estudios geológicos. Es común que al retirar el
peso del suelo
produzcan
recuperaciones
elásticassey produce
la aperturaendecondiciones
fisuras
f isuras que
originan
fugas.seEn
todos estos
casos, la “falla”
acotadas, y sus consecuencias son mucho menores a las que cabría esperar si se
hubieran producido en algún momento posterior, durante el servicio del
componente.
7.4 El árbol de causa - efecto
Para el armado del árbol de eventos y factores causales, se podrán utilizar las
herramientas formatizadas, algunas de las cuales se verán a continuación. Las
instrucciones básicas en el armado de este
est e árbol son:
•
•
•
•
Ponga el resultado indeseado a la cima del árbol.
Agregue todos los eventos, condiciones, y barreras excedidas o falladas
que ocurrieron inmediatamente antes del resultado indeseado y que lo
podrían haber causado (Figura 7.2).
Haga una tormenta de ideas para asegurar que todas las posibles causas
son incluidas, y NO sólo aquéllas que usted está seguro están
involucradas.
Esté seguro de considerar a las personas, hardware, software, política,
procedimientos y medio.
253
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Resultado indeseado
Condición
Condición
Evento # 1
Barrera Excedida o
Evento # 2
Fallada
Figura 7.2 Ejemplo de árbol de causa efecto: causas inmediatas
•
•
•
•
Si posee datos sólidos que indican que alguna de las posibles causas no
es aplicable, ésta puede eliminarse del árbol.
árbol. Cautela: no se apresure
apresure en
eliminar causas. Si hay una posibilidad de que sea un factor causal,
déjela y elimínela después cuando haya más información disponible.
Después de que haya identificado todas las posibles causas, pregúntese
“POR QUÉ” cada una puede haber ocurrido.
Esté seguro de mantener sus preguntas enfocadas en el problema
original, Figura 7.3. Por ejemplo “¿Por qué estuvo presente la
condición?”; “¿Por qué ocurrió el evento?”; “¿Por qué fue excedida la
barrera?” o “¿Por qué falló la barrera?”
Los árboles de falla individuales pueden utilizarse para determinar las
causas de falla de algún subsistema involucrado en el evento básico
(e.g., componentes) y podrán luego incorporarse al árbol de eventos.
Figura 7.3 Árbol de causa efecto: causas intermedias y causas raíz
•
•
El árbol resultante de preguntas y respuestas debe llevar a un cuadro
completo de causas POTENCIALES para el resultado indeseado.
Verifique su lógica con una revisión detallada de cada causa potencial.
Compare cada causa con hechos contribuyentes verificados.
verificados.
254
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
•
¿Si la acción, deficiencia, o decisión en cuestión se hubiera corregido,
eliminado o evitado, se habría prevenido o evitado el resultado
indeseado? Si la respuesta es sí, entonces es una causa. Guárdelo en el
árbol. Si no es el caso, entonces elimínelo del árbol.
Para garantizar que los datos no se pierdan, es importante comenzar la fase de
recopilación
de datos
para el análisis
de causa
de
la identificación
de ocurrencia.
Cuidando
de raíz
no inmediatamente
comprometer ladespués
seguridad
durante la recuperación es recomendable, en caso de ser posible, recopilar
datos incluso durante un incidente. La información que debe recopilarse
consiste en las condiciones antes, durante y después de la aparición de la falla,
la participación de personal (incluidas las medidas adoptadas), los factores
ambientales y toda otra información de relevancia para la condición o
problema. Fotografiar la zona de la aparición desde varias vistas suele ser muy
útil durante y luego de la investigación. Deben hacerse todos los esfuerzos para
preservar pruebas
pruebas físicas, tales como componentes con fallas (ver Capítulo 2),
incendios, líquidos derramados, aplicación parcial de órdenes de trabajo y
procedimientos, etc. Esto debe hacerse a pesar de las presiones operacionales
para restaurar el equipo o servicio.
Una
que se han
los datos
asociados
esta ocurrencia,
debenvez
verificarse
losrecopilado
datos paratodos
asegurar
su exactitud.
La con
investigación
puede
mejorarse si se conservan todas las pruebas físicas, estableciendo un área de
cuarentena por ejemplo.
Algunas áreas a considerar
considerar par
paraa determinar qué información
información es necesa
necesario
rio
incluir:
•
•
•
Actividades relacionadas
relacionadas con la apar
aparición.
ición.
Problemas iniciales o recurrentes.
Hardware (equipos) o software (cuestiones de tipo
programático) asociados con la ocurrencia.
•
•
Cambios físico
recientes
de programas. o equipo administrativos.
Entorno
y circunstancias.
circunstancia
Algunos métodos de
de recopilación de
de información se iincluyen
ncluyen a continuación.
continuación.
7.5 Recopilación de datos: entrevistas y declaraciones
Las entrevistas deben realizarse para buscar información y no culpas
(volveremos sobre esto en el Capítulo 10). Se deben preparar las preguntas
antes de la entrevista. Esto es esencial para garantizar que se obtenga toda la
información necesaria. Las hojas de trabajo del árbol causa-efecto pueden
utilizarse como una herramienta para ayudar a recopilar información.
Las entrevistas deben realizarse preferentemente en persona, con aquellos más
familiarizados con el problema, aunque esto a veces es impracticable en función
255
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
del número de involucrados. Las entrevistas pueden documentarse mediante
cualquier formato deseado por el entrevistador.
Aunque la preparación de la entrevista es importante, no debe retrasar el
contacto con los participantes y testigos. La primera entrevista puede consistir
exclusivamente en escuchar su relato. Se puede organizar una segunda
entrevista,la más
detallada,y siel esmarco
necesario.
El entrevistador
debe considerar
siempre
objetividad
de referencia
del entrevistado.
Debe
considerarse la posibilidad de entrevistar a otros funcionarios que hayan
realizado el trabajo en el pasado.
Los testigos oculares son importantes fuentes de información, pero deben
examinarse y evaluarse cuidadosamente. Pero a menudo los testigos no
reportan directamente sus observaciones. Tienden a informar sus conclusiones
personales, tal como internamente intentan dar sentido a lo que han observado.
Con el tiempo, al repensar las cosas y escuchar comentarios, a menudo
informan haber visto cosas de las que no han sido realmente testigos.
Asimismo, con el tiempo pueden olvidar cosas que en realidad vieron.
Recuerdan lo que creen que es interesante o lo que otro
otross piensan que lo es. La
percepción
evento suele
condicionada
por suo audición
educacióny los
y formación,
experiencias,del
condición
físicaestar
con respecto
a la visión
prejuicios
sociales o culturales. Un interrogatorio hábil de los testigos, a veces puede
separar las observaciones fácticas de las presunciones personales.
Dejar en claro que un análisis de falla no es un intento de echar culpas es
importante por dos razones. En primer lugar, el equipo de investigación debe
entender que el beneficio real de esta metodología analítica es el mejoramiento
de las plantas. En segundo lugar, los involucrados en el incidente generalmente
van a adoptar una actitud de autoprotección y asumir que la investigación
pretende encontrar y castigar a la persona o personas responsables del
incidente. Por lo tanto, es importante para los investigadores disipar el miedo y
reemplazarlo por un esfuerzo de equipo positivo para resolver el problema.
El proceso de entrevista es una parte clave de cualquier investigación. Es crucial
para el investigador ser un buen oyente con buenas habilidades diplomáticas.
Para incidentes significativos, debe entrevistarse todo el personal que tenga
conocimiento directo o indirecto del evento para obtener una imagen completa.
Es necesario verificar la información obtenida en la entrevista. Una lista de
preguntas preparadas o de temas a discutir ayuda a mantener la entrevista
organizada e impide que el entrevistador olvide preguntas sobre temas claves
.
¿Qué ha pasado? Aclarar lo que sucedió realmente es un requisito esencial. La
tendencia natural es dar percepciones en lugar de definir cuidadosamente el
evento real. ¿Dónde sucedió? Una adición en la ubicación, determinar si el
evento se produjo también en lugares similares o sistemas. ¿Cuándo sucedió?
Cuando se conoce el tiempo real de las “fotos” de un evento, es mucho más
256
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
fácil de cuantificar el proceso, operaciones y otras variables que pueden haber
contribuido al evento. ¿Qué cambió? Fallas y desviaciones suceden siempre
debido a variables específicas. Por lo tanto, es esencial que se definan los
cambios que se produjeron en conjunción con el evento.
¿Quién estuvo involucrado? Esta es una pregunta conflictiva. Los errores y
eventos son aSin
menudo
consecuencia
de errores
humanos o conocimientos
insuficientes.
embargo,
el propósito
de la investigación
es resolver el
problema, no asignar culpa. Por ello, los comentarios o declaraciones deben ser
s er
impersonales y totalmente objetivos. A cada personal involucrado en el
incidente se le debe asignar un número de código u otro identificador, como
“operador A, B, C”, etc. Esto ayuda a reducir el temor a castigos y reduce
perjuicios u opiniones preconcebidas acerca de individuos dentro de la
organización.
Lo más simple
simple es que el investigador entreviste
entreviste a cada persona. Esto debe
realizarse en privado, sin distracciones. Cuando se requiera una visita al equipo,
la entrevista podrá celebrarse
celebrarse en el espacio de trabajo. Cuando se están
investigando incidentes polémicos o complejos, es aconsejable tener dos
entrevistadores:
uno deben
puede preguntar
el otro registra
la información.
Los entrevistadores
coordinar mientras
sus interrogatorios
y evitar
abrumar o
intimidar al entrevistado. Los entrevistadores pueden además comparar sus
impresiones y llegar a un consenso sobre sus puntos de vista.
La entrevista en grupo es ventajosa en algunos casos. El ejercicio de solución de
problemas en grupo favorece el intercambio de ideas, en particular con gente de
distintas disciplinas (mantenimiento, producción, ingeniería, etc.). Tal
intercambio puede ayudar a resolver un problema o evento. Este enfoque es
particularmente útil cuando el investigador ha completado su evaluación y
quiere revisar los hallazgos con los implicados en el incidente. El investigador
en este caso actúa como facilitador en el proceso de solución del problema y
utilizará un diagrama del árbol de causa-efecto o de la secuencia de eventos
como herramienta de trabajo para la reunión. Estas entrevistas en grupo no
sirven en un ambiente hostil. Si el evento es controvertido o político, las
agendas personales de los participantes generalmente impiden resultados
positivos.
EJEMPLO 7.B Árbol de causa efecto en una reparación “hot tap”
En este ejemplo, la falla o evento no deseado fue la pérdida del cupón y mecha
de guía durante la perforación de un gasoducto de 30”, para la colocación de
una derivación del tipo “hot tap”. El costo de esta falla parece reducido pero
involucra pérdida de todo el dispositivo, la necesidad de rehacer el proceso (en
un área posiblemente no tan adecuada) y altos riesgos en caso de recurrencia.
257
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
En este ejemplo la evidencia testimonial fue predominante para la resolución
del RCA.
Este tipo de derivación se realiza con el ducto en funcionamiento y se basa en
el uso de un dispositivo que permite realizar la perforación en un ambiente
exento de aire, para evitar mezcla explosiva. Un croquis de la operación de
muestra en la Figura 7.B1 (1, 2, 3, 4), en este caso, aplicado al reemplazo de un
tramo.
Figura 7.B1 (1, 2, 3, 4) Perforaciones Hot Tap en gasoducto
El
caliente
(hot7.B2.a,
tap) seque
realiza
sistema
compuesto
por una
fresa
de corte
corte frontal,
fen
rontal,
Figura
llevacon
unaunbroca
o mecha
guía, Figura
7.B2.b.
Cerca de la punta de esta mecha guía se ubican unas clavijas que se abren
cuando la mecha ha atravesado la pared del tubo, de modo que el trozo cortado
(cupón) es levantado cuando se retira la fresa, una vez terminado el corte.
258
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
clavijas
Figura 7.B2 (a) Fresa (b) Mecha piloto, roscada y apretada, en su punta se ubican las
clavijas para la extracción del cupón
󰁘
󰁘
󰁘
󰁘
󰁘
Figura 7.B3 Parte superior del árbol de –efecto (se indican posibles causas inmediatas)
La Figura 7.B3 muestra la parte superior del árbol de causa-efecto. Se indican
las posibles causas inmediatas. La pérdida del cupón es importante porque al
quedar en el interior de la tubería, impide la colocación del sello para aislar la
259
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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sección del flujo de gas (line
(line stop). Una primera inspección
inspección permitió verificar
verificar
que al retirar la fresa, la mecha guía no se hallaba unida, es decir, la mecha se
había desprendido de su alojamiento en la fresa, y por lo tanto quedó adherida
al cupón, en el interior del tubo. Estas primeras conclusiones re reportaron en
el Apéndice A, referido en la Sección 4 del informe de RCA, según se indica en
la Figura 7.B3. Por ello, las posibles causas ya falsadas se tachan y eliminan del
árbol.
En los Apéndices B y C, reportados también en la Sección 4, se analizaron las
declaraciones de los operarios. Éstos indicaron que durante este corte se habían
detectado vibraciones no habituales en la máquina. Las vibraciones durante la
operación pueden deberse a:
•
•
•
•
Falta de mantenimiento.
Falta de alineación del conjunto.
Deficiencia en los filos de la mecha y el cortador.
Error en el armado del seguro en la mecha.
Hubo
que esperar
hasta elmayor
corte información.
de la sección En
del la
tubo
y la recuperación
del hot
tap fallado
para obtener
Figura
7.B4 se observan
(a)
signos de roce intermitente en las superficies laterales del interior de la brida y
(b) desgaste en los laterales de los dientes de la fresa. Por otro lado, la Figura
7.B5 muestra que el anclaje de la mecha guía al cuerpo de la fresa es por unión
roscada con apriete de espejo. Es razonable que las vibraciones hayan aflojado
el apriete, y provocado el desenrosque de la mecha.
Figura
7.B4 (a)
del perímetro
de Zonas
corte representativas
(b) Desgaste lateral en los dientes de la
fresa
260
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Figura 7.B5 Encastre roscado entre mecha guía y brida en la fresa
Con esto, las causas inmediatas de la falla quedan esclarecidas. Veamos ahora
las causas raíz: ¿Que provocó los roces laterales? Un análisis dimensional reveló
una cierta ovalización de la brida, debido a la contracción de las soldaduras
durante su colocación en la tubería, que supera las tolerancias definidas por el
proveedor de la perforadora. Pero por otro lado, el sistema de anclaje de la
mecha resulta inadecuado. Un sistema como encastre y pernos sería mucho más
resistente a las vibraciones. A su vez, estas dos causas son consecuencias de
otras circunstancias, según se indica en el árbol de causa-efecto completo
(Figura 7.B6).
Se concluye que la falla es consecuencia de suma de eventos:
1. La soldadura longitudinal en campo entre las medias cañas del accesorio
provocó distorsiones en el cuerpo del accesorio, reducción de diámetro en
dirección transversal al caño.
2. La inspección post-soldadura no incluyó relevamiento preciso de diámetros
internos.
3. El roce con la superficie interna generó vibraciones en la fresa, que
provocaron que se aflojara la mecha piloto.
4. El sistema de anclaje de la mecha piloto es inseguro, el espejo del apriete
escaso y las probabilidades de que se afloje son altas. Este sistema ya fue
reemplazado en otras versiones de la misma máquina perforadora.
261
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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Figura 7.B6 Árbol de causa-efecto (se indican causas raíz)
262
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
7.6 Recopilación de datos: documentos y registros
La revisión de registros y documentos, o partes de documentos relevantes en el
análisis de causa de fallas contienen origen y fechas asociados con revisiones.
Ejemplos de documentos pertinentes:
••
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Registros de funcionamiento,
registros
de mantenimiento.
Correspondencia
Correspondencia,
, actas de reunión,
órdenes
de trabajo.
Registros de inspección y vigilancia.
Datos de proceso del equipo.
Procedimientos e instruccio
instrucciones.
nes.
Manuales del proveedor, planos y especificaciones.
Especificación y resultados de repruebas funcionales.
Registros de la historia de los equipos.
Información de diseño y normativas técnicas.
Informes de evaluación de control de calidad relacionados.
Requisitos de seguridad operacional, informes de análisis de
seguridad.
Informes del sistema, diagramas de tendencia, parámetros de la
instalación.
Resultados de análisis de muestras (químico, radiológico, aire, etc.).
Además de los métodos de análisis discutidos en los Capítulos 2, 3 y 5 es
probable que para un RCA el evaluador deba considerar Información adicional
relacionada con el diseño físico del sistema. Otro aspecto relevante, relacionado
con los resultados esperados del análisis, es determinar si existe información o
experiencia operativa para eventos similares en otras instalaciones. Aquí
conviene revisar los registros del proveedor y fabricante de los equipos
involucrados para determinar si se ha recibido información relacionada con el
problema.
Parámetros de diseño: es esencial comprender los parámetros de diseño y
especificaciones de los sistemas asociados a una falla. El objetivo de la revisión
de diseño es establecer las características específicas de funcionamiento del
sistema. El nivel de detalle requerido para una revisión de diseño varía con el
tipo de evento, pero no puede omitirse en ninguna investigación. Puede
obtenerse la información en cuatro fuentes: placas de equipos, especificaciones
de compra, especificaciones del proveedor y manuales de operación y
mantenimiento. Las instrucciones de solución de problemas del proveedor
proporcionan información sobre las causas más comunes de comportamiento
anormal. El objetivo de la revisión de diseño es determinar las limitaciones de
diseño, condiciones de operación aceptables, errores posibles e índices para
cuantificar la condición de funcionamiento.
263
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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Instalación: cada máquina y sistema tiene criterios de instalación específicos
que deben cumplirse. Deben señalarse las desviaciones aceptables y prácticas
recomendadas, según se definen en los documentos de referencia.
Entorno operativo: el mejor enfoque es determinar todas las variables y límites
utilizados en la producción normal. Por ejemplo, definir la gama de velocidades,
caudales, variaciones de producto, de funcionamiento y otras.
Procedimientos
de operación
: estos real.
datos
paray
determinar
las prácticas
de producción
Losdeberían
sistemas examinarse
de monitoreo
control automatizados aportarán la mejor base de datos para esta parte de la
evaluación. Dos fuentes de referencia son necesarias para completar esta tarea:
el informe de revisión de diseño y los manuales del proveedor.
Transitorios: procedimientos transitorios como inicio, cambio de velocidad y
apagado deben evaluarse cuidadosamente. Estos procedimientos suelen causar
desviaciones en calidad y tienen un impacto directo sobre la fiabilidad de los
equipos.
Prácticas operativas: la tendencia normal de los operadores es recurrir a los
atajos en los procedimientos, razón común para muchos problemas. La
investigación debe evaluar plenamente las prácticas reales que el equipo de
producción utiliza para operar la máquina o sistema.
Historial de mantenimiento
: debe
elaborarse
una historia
completa etc.
de
mantenimiento
programado y real,
incluyendo
inspecciones,
lubricación,
Los principales detalles necesarios incluyen frecuencias y tipos de reparación,
frecuencia y tipos de mantenimiento preventivo, historia de falla y cualesquiera
otros hechos que ayuden en la investigación.
Prácticas y procedimientos de mantenimiento: los procedimientos deben
compararse con los requisitos de mantenimiento definidos por el diseño y los
manuales del proveedor, y luego determinar si estos procedimientos se realizan
de manera oportuna y si se utilizan las técnicas apropiadas.
7.7 Falsación, iteración, coincidencia y causalidad
Uno de los personajes más coloridos que avanzó la metodología de
investigación de fallas en el siglo XIX fue un detective francés llamado Francois
Vidocq (1775–1857). Vidocq revolucionó la investigación criminal, enfatizando
la recopilación sistemática de evidencia, la preservación de pruebas y las
técnicas de análisis de pruebas. Al parecer mató a un hombre en un duelo de
esgrima cuando tenía 14 años. Como soldado en el ejército Borbón, se jactó de
haber tenido quince duelos y estuvo repetidamente en la cárcel por juegos de
azar, falsificación y ofensas similares. Más tarde en su vida, Vidocq utilizó su
conocimiento para inventar el método de moldes de yeso de huellas e
impresiones en la escena del crimen, el registro de antecedentes penales, la
balística, disfraces y subterfugios en el seguimiento de sospechosos.
Vidocq creó luego la primera agencia ddee detectives privados, e inspiró a mucho
muchoss
escritores. Sir Conan Doyle basó a Sherlock Holmes en las hazañas de Vidocq
264
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
como detective privado, especialmente en lo referido a la técnica de vincular las
evidencias físicas. En Los Miserables de Victor Hugo, Jean Val Jean y el
Inspector Javert se basan en Vidocq. También lo refiere Edgar Allen Poe en
"Asesinatos en la Rue Morgue," el primer relato detectivesco moderno.
En la década de 1930, Karl Popper en “La lógica del descubrimiento científico”
describió de
cómo
evolucionaron
leyes deque
las una
ciencias
físicasinicial
a través
una
sucesión
hipótesis
falsadas. las
Observó
hipótesis
condealgún
valor explicativo es falsada mediante experiencias comprobables, y reemplazada
por una nueva que tiene una mayor capacidad para explicar los hechos
conocidos. Curiosamente, señaló que cada nueva hipótesis que tiene mayor
utilidad explicativa tiene mayor potencial de falsación. Popper propuso que una
hipótesis es científica si es falsable. Es decir, debe haber un experimento u
observación que pueda demostrar que la hipótesis es incorrecta. Si una
proposición o hipótesis no puede refutarse por alguna medida empírica, no es
científica.
Los sentimientos morales, como que el asesinato es un pecado mortal, no son
científicos porque no están sujetos a falsación empírica. Tales afirmaciones son
juicios ningún
moralespunto
simplemente
filosóficos, religiosos
o personales.
debería
haber
en la investigación
de un accidente,
falla,No
evento,
o
fenómeno donde una hipótesis de trabajo no pueda verificarse por los hechos y
pruebas y no pueda resistir el escrutinio por falsación.
Los atributos de una buena hipótesis de trabajo son:
• Todos los datos en que se basa deben ser objetivamente verificables.
• Debe ser compatible con todos los datos pertinentes, no sólo los datos
seleccionados.
• Los principios científicos en que se basa la hipótesis deben ser verificables y
repetibles.
• La hipótesis debería proporcionar algún valor predictivo.
• La hipótesis debe soportar
s oportar auténticos esfuerzos de falsación.
Los investigadores a veces quedan atrapados al querer confirmar sus propias
opiniones. Pueden establecer pruebas de laboratorio, recreaciones del evento, o
realizar pruebas adicionales cuyos resultados apuntan a apoyar una cierta
hipótesis. Concomitantemente, pueden evitar analizar datos o resultados que
podrían contradecir su hipótesis. Esto es especialmente cierto cuando ya se ha
invertido mucho tiempo de investigación y energía en determinadas hipótesis, y
los plazos y presupuestos predisponen al investigador contra el inicio de una
nueva línea de investigación. La expresión “no hay otra explicación” y similares
son indicios de que se está utilizando un argumento disimulado.
Un sesgo de confirmación se puede desarrollar con el tiempo y eventualmente
institucionalizarse a través de repetidos refuerzos. La investigación financiada
265
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
por la industria del tabaco que parecía respaldar la hipótesis de que fumar no
causaba problemas de salud fue dada a publicidad, pero no las investigaciones
que falsaban esa hipótesis.
Si una persona acepta sólo
s ólo los hechos que apoyan su hipótesis particular, puede
convencerse a sí mismo que el mundo es plano, que el Holocausto nunca
ocurrió,
que losenastronautas
la Luna,allí,
que que
los restos
fósiles
de
moluscos
las cimas nunca
de las aterrizaron
montañas en
crecieron
Pie Grande
deambula por las montañas Rocosas y sólo posa para los fotógrafos que no
pueden enfocar una cámara, o que los planetas y el Sol viajan en una órbita
perfectamente circular alrededor de la tierra. Un caso perfectamente lógico
puede prepararse para soportar todos los argumentos anteriores y muchos más,
si se excluyen unos pocos hechos contradictorios. El defensor de un argumento
concreto intentará excluir información contraria mediante:
• Desacreditar la información.
• Desacreditar al portador de la información.
• Confeccionar las circunstancias que explican la información.
El
pecado deestá
apriorismo,
comocon
lo una
define
Noon,
puededeocurrir
un
investigador
comprometido
teoría
particular
cómo cuando
se produjo
la falla y luego establece como probar su hipótesis. En otras palabras, él ya ha
decidido la respuesta y busca simplemente obtener pruebas suficientes para
cumplir con el formulario o reglamentos.
Una característica importante asociada con la versión moderna del método
científico es la iteración. La hipótesis inicial evoluciona iterativamente a medida
que nueva información se descubre, verifica, considera y compara con el cuerpo
de información ya existente. Este es un ejemplo de por qué muchos
investigadores no revelan nada fuera de su
s u equipo mientras la investigación está
en curso. Sólo cuando los investigadores están seguros de que no existe más
información significativa y se ha concluido la evaluación, podrán revelarse
públicamente las conclusiones.
Una hipótesis se considera una reconstrucción completa cuando se cumple que:
• La hipótesis da cuenta de todas las observaciones verificadas.
verificadas.
• Cuando sea posible, la hipótesis predice con precisión la existencia de pruebas
adicionales no conocidas.
• La hipótesis es consistente con los principios científicos aceptados,
conocimientos y metodologías.
La veracidad de un escenario puede reforzarse considerablemente si se utilizan
simultáneamente varios métodos independientes para llegar a la misma
conclusión. Cada una de las pruebas es totalmente independiente de las otras,
pero produce la misma conclusión.
266
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Occam fue un sacerdote del siglo XIV, que Noon menciona como el antecesor
de la expresión: “Keep it simple, stupid!” Esto significa que cuando hay dos o
más escenarios que explican cómo pudo haber ocurrido un evento, el escenario
más sencillo que se ajusta a los hechos es generalmente el correcto. Con
respecto al análisis de fallas, una persona que aplica la ley de Occam reduce
pasos redundantes o innecesarios en el escenario, que no pueden comprobarse
o refutarse.
La teoría de la coherencia de la verdad afirma que un escenario puede ser cierto
sólo si es lógicamente consistente con otras teorías científicas comprobadas y
hechos verificables. Un escenario, por lo tanto, no puede ser cierto si
contradice o es incompatible con la ciencia comprobada o hechos verificables.
Una relación de causa y efecto tiene una secuencia ordenada de tiempo, pero el
recíproco no es necesariamente cierto. A veces dos eventos ocurren tan
cercanos en el tiempo que se presume que el primer evento, de alguna manera,
ha sido la causa del segundo evento. Una secuencia de tiempo ordenado
aparente, es decir, coincidencia, no es suficiente por sí solo para demostrar que
existe una relación de causa y efecto. La coincidencia es fundamentalmente un
efecto aleatorio que incluye eventos que ocurren independien
independientemente.
temente.
A veces se argumenta que debe haber una relación de causa y efecto,
observando cuán improbable es una coincidencia. Pero la ley de los grandes
números dice que: algo que es posible pero tiene una muy baja probabilidad de
ocurrencia en un momento dado, dado un número suficientemente grande de
apariciones en las que podría producirse el evento, finalmente se producirá.
Para demostrar que algo no es sólo una coincidencia, debe encontrarse un
vínculo causal verificable entre los dos eventos. La carga de la prueba es
demostrar que los dos eventos no son una coincidencia, sino al revés.
El siguiente paso de la simple coincidencia es la correlación. La correlación
tiene lugar cuando existe algún tipo de relación demostrable entre dos eventos.
Cuando se produce el evento A, el evento B parece también producirse con
cierta regularidad. De hecho, la correlación entre A y B puede proporcionar
utilidad predictiva probada y repetible. Las correlaciones pueden indicar que
existe una relación directa de causa y efecto entre dos eventos, pero también
puede indicar que los dos eventos simplemente comparten un factor común.
Por ejemplo, Noon menciona correlaciones entre fallas
f allas de aire acondicionado y
embarazos. Mientras uno obviamente no causa el otro, lo que tienen en común
son los apagones. Las fluctuaciones de voltaje y producen fallas en los
compresores del aire acondicionado, y aumentan la tasa mayor de fallas.
Asimismo, los apagones que dejan a la gente en la oscuridad promocionan
caricias y otras demostraciones de afecto, que a su vez resultan en un mayor
número de nacimientos 9 meses después del evento.
267
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
EJEMPLO 7.C Análisis de causas raíz de
d e falla en cruce dirigido
En este ejemplo veremos un análisis en el que la búsqueda de la evidencia
fáctica fue predominante para la resolución del RCA. Se trata de un cruce
dirigido de un ducto de 36” bajo un río caudaloso. El cruce incluyó la creación
de un túnel de más de 500 m. El costo de la falla fue la pérdida total del cruce, y
la
necesidad
repetir millones
todo el proceso,
en otroEnemplazamiento,
resultando
la
pérdida
de de
algunos
de dólares.
este caso, elresulta
RCAndo
es enuna
consecuencia de un proyecto cuyo objetivo inicial fue determinar si se podía
recuperar el cruce y reducir en lo posible las consecuencias económicas de la
falla. Por ello, este proyecto involucró tres actividades:
•
•
•
Inspección y auditoría para establecer la condición del cruce.
Análisis de las causas
causas que motivaron
motivaron el evento.
Definición de posibles alternativas de remediación.
Debido a la complejidad del árbol de causa-efecto no mostraremos en este
ejemplo el proceso de falsación y sólo nos detendremos en las conclusiones
más importantes. La Figura 7.C1.a
7.C1.a muestra un croqu
croquis
is en elevación
elevación del túnel
propuesto; la escala horizontal está muy reducida. Se indica el cauce del río, la
traza del túnel y la dirección de avance de la tubería una vez que el túnel fuera
completado. La Figura 7.C1.b muestra un detalle de la zona recuadrada,
recuadrada, zona
desde donde se comenzó el cavado del túnel. La Figura 7.C1.c muestra un
detalle de la zona delineada, zona desde donde se comenzó el tendido de la
tubería, una vez terminado el túnel.
La Figura 7.C2 muestra la máquina perforadora y el eje del taladro. La máquina
genera un empuje axial y una rotación del taladro. Al comenzar las operaciones
la máquina se descalzó debido a las malas condiciones de la capa superficial del
terreno, razón por la cual hubo que abandonar la traza inicial y reiniciar la
operación desde un lugar más alejado (ver detalle Figura 7.C1.b).
268
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
10,00
0,00
Rio
󰀭10,00
󰀭20,00
󰁎
󰁉󰁏
󰁔
󰁁
󰁖
󰁅
󰁌
󰁅
󰀭30,00
󰁔󰁲󰁡󰁺󰁡 󰁤󰁥󰁬 󰁴󰃺󰁮󰁥󰁬
󰁡󰁶󰁡󰁮󰁣󰁥 󰁤󰁥 󰁬󰁡 󰁴󰁵󰁢󰁥󰁲󰃭󰁡
󰀭40,00
󰀭50,00
󰀭60,00
0,00
100,00
200,00
󰁡
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
󰁁󰁗󰁁󰁙 󰁓󰁔󰁁󰁔󰁉󰁏󰁎
󰁣
󰁔󰁲󰁡󰁺󰁡 󰁩󰁮󰁩󰁣󰁩󰁡󰁬
󰁁󰁰󰁡󰁲󰁥󰁮󰁴󰁥
󰁰󰁡󰁴󰁡 󰁤󰁥 󰁰󰁥󰁲󰁲󰁯
󰁢
Figura 7.C1. (a, c, b) Croquis en elevación del túnel dirigido bajo el río (escalas en m)
Figura 7.C2 Máquina perforadora y eje del taladro
269
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
󰁃󰁥󰁮󰁴󰁲󰁡󰁤󰁯󰁲
󰁴󰁡󰁬󰁡󰁤󰁲󰁯
Figura 7.C3 (a) Detalle de la finalización del segundo diámetro de túnel
(b) Esquema del agrandamiento paulatino del túnel
El primer túnel, de pequeño diámetro, es el más dificultoso. Es dirigido
mediante la direccionalidad de los chorros de barros que se inyectan en
boquillas en el perímetro del taladro, que a su vez gira y avanza. La Figura
7.C3.a muestra en cierto detalle la finalización del segundo diámetro de túnel,
con la barra ahora en tracción. La Figura 7.C3.b muestra un esquema del
agrandamiento paulatino del túnel en cada paso. Si bien un centrador intenta
mantener cada nuevo diámetro coaxial con el anterior (Figura 7.C3.a), la
gravedad y la curvatura del túnel obligan a aceptar un cierto grado de
ovalización en vertical, como se indica en la Figura 7.C3.b. Una vez completado
el túnel, desde la orilla opuesta se comienza a traccionar la tubería, previamente
soldada y colocada en rodillos y cabrestantes, ver Figura 7.C4.
Figura 7.C4 La ristra de tubos en el lado opuesto del río,
durante el tendido de la tubería
270
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
La Figura 7.C5 muestra (al fin!) el evento no deseado: una vez que el tubo
apareció por el hueco del túnel en la otra orilla, se observó que había colapsado
por pandeo lateral. Aún antes de comenzar a definir las causas de esta falla se
intentó determinar la extensión del colapso en la longitud de la tubería. Los
datos geo-referenciados indicaban una curvatura excesiva (“pata de perro”)
cerca del punto de salida de la tubería, ver Figura 7.C1.b. Si aquí había
comenzado
problema,unhabría
sidointerno
posibledesde
recuperar
la obraopuesto,
con un pero
pozo ely
obra
civil. Seel introdujo
calibre
el extremo
mismo se trabó a pocos metros de introducido. El círculo en la Figura 7.C1.c
muestra la posición de esta traba, coincidente con la interfaz entre los dos
estratos del suelo: la capa de arcilla (inferior) y de grava y arena suelta
(superior), producto de la acción fluvial. Esta interfaz fue el problema que
provocó la pata de perro en el otro lado, también.
Figura 7.C5 El evento indeseado: colapso por pandeo lateral del extremo de la tubería
De modo que existía una alta probabilidad de que casi toda la longitud de la
tubería estuviera colapsada. Se desarrollaron modelados numéricos, que
permitieron determinar que las condiciones de curvatura, torsión y tracción del
tubo en esa zona fueran suficientes para provocar el colapso local, ver Figura
7.C6. El comienzo del colapso lateral es fuertemente dependiente del espesor
del tubo. Una vez iniciado, el colapso probablemente fue propagando a medida
que se desplazaba el tubo. Las evidencias observadas en el sitio del cruce y los
modelos mecánicos desarrollados permitieron definir como causa inmediata del
incidente al colapso de la tubería por efecto combinado de la presión externa y
cargas de flexión y tracción, en una curvatura
curvatura del tubo localizada. Si
Si bien no
hay evidencia física (el túnel y la tubería debieron abandonarse) se considera
271
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
que toda la longitud del tubo a partir del punto indicado en Figura 7.C1.c está
colapsada.
Figura 7.C6 Vista del modelo con pandeo local y propagación post-colapso
Las declaraciones de testigos y la investigación de los antecedentes
documentales permitieron definir el origen probable de las discontinuidades en
el túnel que provocaron el colapso por pandeo local de la tubería. Cuando se
iniciaba el ingreso del tubo, se produjo la rotura de uno de los soportes de la
columna (similar al que se muestra en la Figura 7.C4). La caída de la tubería
generó un derrumbe en la boca del túnel, que debió limpiarse con el pasaje de
una herramienta (“Reamer”).
Por otro lado, se descubrió que el aumento de la longitud del túnel (Figura
7.C1.b) obligó a la colocación de dos tubos adicionales a la ristra. No había
stock de tubos de espesor reforzado, por lo que se utilizaron dos tubos
normales. Se colocó uno a cada lado de la ristra, con lo cual el primer tubo
ingresado era de menor espesor que lo recomendado por la ingeniería. La
reducción en el espesor del primer tubo en la columna condujo a un estado
tensional dos veces y media más crítico que para el resto de la columna. El
modelado definió además que la influencia del tubo de menor espesor en la
presión de colapso equivale a la de la columna completa de espesor reducido, si
el tubo es de más de 6 metros de longitud.
La posición en el túnel del sitio Inicio
Inicio del colapso,
colapso, según lo constatado
constatado
mediante el sondeo con el pistón de limpieza luego de la falla, coincide
aproximadamente con el sitio de colapso predicho por el modelo mecánico, y
también con el sitio de parada de la herramienta de limpieza introducida el día
anterior en el túnel. En esta posición es posible que piedras y rodados pudieran
haberse
acumulado
ser hay
empujados
pordefinitiva
el Reamerque
hacia
la parteconfirmar
inferior del
túnel. Sin
embargo,al no
evidencia
permita
ni
272
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
eliminar esta hipótesis. Esta posición coincide con el mayor pico de presión de
lodos durante la operación de Pull Back, y con el mayor valor de torque en el
Reamer. En esta sección se registró también un pico relativo de carga de tiro.
El colapso no se detectó por un aumento por encima de los valores admisibles
de tiro, presión de lodos y torque durante la inserción de la columna, porque las
condiciones
de lubricación
y lodos
fueron
muy buenas.
La ovalización
vertical
del
túnel permitió
que el tubo
aplastado
se acomodara
y continuara
su inserción
sin aumento de los parámetros de tiro. La columna de tubos se atascó cuando el
cabezal de tiro se hallaba muy cerca de la superficie en el extremo opuesto del
túnel, en una desviación puntual del túnel o “pata de perro”, en la interfaz
arcilla-grava.
La Figura 7.C7 muestra el árbol de causa-efecto completo, y la definición de las
causas raíz. Luego de evaluar el manejo de las prácticas constructivas empleadas
por el equipo de trabajo, la geometría del túnel, las velocidades de perforación
del Reamer, los registros de volúmenes bombeados, torque y extracción de
lodos, no se encuentran datos para demostrar que las prácticas de construcción
no estuvieran en línea con los estándares de la industria de las HDD. El
aumento
de la carga
axial enen ellosanclaje
tramos
la inserción
la
columna generó
una falla
delfinales
Equipodurante
de Perforación,
quedefue
reposicionado. Esta falla no contribuyó a la ocurrencia del colapso y la eventual
pérdida del túnel.
273
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 7.C7 Árbol de causa efecto, y definición de las causas raíz
7.8 Niveles de un análisis de falla
Un
análisis justifiquen
completo deloscausa
de raíz
de fallaun
debería
limitarse
casos que
realmente
gastos.
Incluso
simple
análisisa los
requiere
un
274
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
investigador asignado al proyecto hasta que éste se resuelva. Además, el análisis
requiere la participación de todo el personal de planta directa o indirectamente
involucrado en el incidente. Generalmente, el investigador debe realizar
numerosas entrevistas, y debe revisar muchos documentos para extraer la
información pertinente.
Un análisis RCA
no se realiza
sobre eventos
aleatorios
o no
recurrentes.
Los problemas
que generalmente
a menudo justifican
el uso de
este método
incluyen equipos, maquinaria o fallas de sistemas, desviaciones de rendimiento
operativo y económico, seguridad y cuestiones de regulación. Su uso debe
limitarse a aquellos incidentes o eventos que tengan un impacto negativo
medible en cuanto a rendimiento, seguridad personal o cumplimiento de
normas.
Algunas preguntas a hacer en este caso son: ¿Cuál es el impacto? y ¿Sucederá
otra vez? Aún cuando la pregunta lógica ¿Cómo se puede prevenir la
recurrencia? generalmente no puede responderse hasta que se complete el
análisis, simplemente se tendrá que aprender a minimizar el impacto si corregir
el problema no es económicamente viable.
API RP 585, “Equipment Failure Investigation”, es una Práctica Recomendada
en elaboración que será aplicable a equipos sometidos a presión en la Industria
Petroquímica y de Hidrocarburos. Se publicará en 2013. Sus objetivos son
clarificar los elementos generales de un “Programa de Investigaciones de Falla”
y complementar los programas actuales vigentes en las empresas. No se limita a
una sola metodología de RCA, sino que provee lineamientos aplicables a todos
los métodos. Define un listado de Equipamientos - objetivo, relacionados con
recipientes a presión, cañerías, equipos rotativos y otros componentes
sometidos a presión, en una planta de proceso. Define tres tipos de incidentes:
•
•
•
Fallas
Cuasi-accidentes
Deficiencias en Equipos
Un aspecto central de los incidentes es que difieren en frecuencia y en la
severidad de sus consecuencias.
consecuencias. Pueden ser crónicos
crónicos o esporádicos.
esporádicos. Las fallas
se definen como los incidentes de mayor severidad. Las definiciones de
incidente incluyen:
•
•
•
•
•
Fuga, incendio, falla estructural, etc.
Cuasi-accidente (near-miss)
Mayor daño al esperado, descubierto en inspección de rutina
Pérdida de espesor mayor a la admisible (sin fuga)
Dispositivo de alivio de presión fuera de servicio, detectado en
inspección de rutina, etc.
275
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
El concepto es que todo incidente debe investigarse, pero la profundidad del
análisis dependerá de su importancia. Así, en función de las consecuencias
(Reales y Potenciales), se define el Riesgo. En función del Riesgo, se define el
nivel de análisis. Se distinguen Tres Niveles de Análisis:
Nivel 3: Un evento aislado de grandes consecuencias (reales o potenciales).
Nivel 2: Evento aislado con consecuencias de menor magnitud o grupo de
incidentes
con alto riesgo (menor
potencial.
Nivel
1: Cuasi-accidentes
nivel de detalle).
API RP 585 define que cada organización debe contar con una Matriz de
Clasificación, como la que se muestra en la Tabla 7.2. Esto permitirá que cada
integrante sepa, de antemano, cómo proceder ante un accidente. API RP 585
define la formación del equipo de trabajo y del tipo de análisis a realizar, para
cada nivel de análisis: líder del equipo, miembros del equipo de investigación,
sponsor, método, causas definidas, extensión de la investigación, tipo y
extensión del Informe.
󰁁󰁐󰁉 󰁒󰁐 585
Características del
Incidente
Características de
la investigación
󰁁󰁃󰁒 󰁎󰁩󰁶󰁥󰁬 1
󰁁󰁃󰁒 󰁎󰁩󰁶󰁥󰁬 2
1. Condición o daños
encontrados. Si se hubieran
permitido avanzar habrían
conducido a la pérdida de
contención antes del siguiente
intervalo de interrupción
programada o inspección
2. Daño a la integridad mecánica
descubierta provocaría mayor
daño que el esperado, sin
pérdida de contención
3. Muy pequeñas fugas de
presión en equipo o accesorios
que fueron fácilmente
Informe de cuasi incidente.
Herramientas de análisis de
causa raíz simples,
1. Fugas de equipos a presión
que resultaron en incendios
pequeños o daños de equipo sólo
en el área inmediata
2. Falla inesperada de equipo por
mecanismos de daño
3. Daños inesperados
descubiertos en equipos a presión
que requieren parada de la planta
o unidad.
4. incidentes tipo nivel 1
repetitivos en el mismo proceso o
sistema.
1. Fuga o ruptura de equipo a
presión que resultó en incendio
o grandes daños de equipos.
Investigue usando los Análisis
de Causa Raíz formales de la
compañía o departamento
Investigue usando los Análisis
de Causa Raíz formales de la
compañía o departamento.
• Investigados por la
Composición
recomendada del
equipo
• El líder será alguien
inspección o personal de
capacitado del área afectada.
integridad mecánica de la
• Los miembros del equipo
zona afectada.
incluirán 1 o 2 de diferentes
• Ningún
Ningún eq
equipo
uipo necesario,
disciplinas, incluyen un MI o
pueden ser investigados por
personal de inspección.
una sola persona.
• Involu
Involucrar
crar a expertos si es
Involucrar a expertos si es
necesario
necesario.
2. Fuga o pérdida de
contención de equipos a
presión que fueron más allá de
los requisitos regulatorios de
informe.
• El líder será alguien
capacitado y de otra área de
la ´planta o unidad de
negocio.
• Los miembros del equipo
serán al menos 3 de
diferentes disciplinas.
• Involu
Involucrar
crar a expertos ssii es
necesario
Inmediatamente
Dentro de las 48 horas
Dentro de las 48 horas
Sponsor
Supervisor del Líder
Jefe de Departamento
Gerente de Planta
Informe
Formato de informe de cuasi
incidente
Informe Formal usando
formato prescripto
Informe Formal usando
formato prescripto
Inicio
Tabla 7.2
276
󰁁󰁃󰁒 󰁎󰁩󰁶󰁥󰁬 3
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Para los Niveles 2 y 3, en los que se requiere evaluación de pruebas físicas, API
RP585 desarrolla recomendaciones para la preservación de la evidencia: quién
debe recolectarla, cuándo y cómo. El orden de recolección depende de qué tan
perecedera es la información. La recolección de información NO debe hacerse
tratando de resolver por qué el accidente ocurrió. Se definen los siguientes
Tipos de Evidencia, por orden de prioridades,
prioridades, para su recolección: testimonios,
evidencia física y documentación.
Testimonio: es la evidencia más perecedera. Deben recolectarse los
testimonios antes de que comiencen a cambiar y de que la gente hable entre sí.
Primero debe interrogarse a los testigos oculares y tratar de que éstos
permanezcan aislados hasta interrogarlos. Pueden intentar escribir lo sucedido
mientras tanto.
Evidencia Física: establece lineamientos generales para:
• Preservar el equipo dañado.
• No distribuir ni manipular superficies de fractura.
• No limpiar las partes dañadas a no ser que sea estrictamente
necesario, para permitir análisis químico.
En función de las conclusiones, se efectúan recomendaciones que apunten a
prevenir eventos futuros. Se hace hincapié en que la comisión no analice el
costo de cada recomendación, eso lo hará la gerencia. La comisión asignará un
responsable de la implementación de cada recomendación y un plazo. El
Informe Final debe entonces contener respuestas a las tres preguntas del
prólogo de este libro: ¿Qué pasó? ¿Cómo? Y ¿Por qué? Como ya hemos visto,
el Informe debe definir claramente las Causas Inmediatas, las Causas Raíz y las
Recomendaciones. Finalmente, esta práctica recomendada define metodologías
para la divulgación de los descubrimientos y una práctica para la Auditoría y
Mejora Continua de todo el programa.
7.9 Formatos alternativos de investigación de fallas
La Tabla 7.3 resume los métodos de análisis de causas de eventos más
comunes. Cada uno es recomendable es ciertas circunstancias, según se describe
a continuación.
277
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
M TODO
Análisis de
Eventos y
Factores
Causales
Análisis de
cambios
Análisis de
barreras
MORT /
Mini-MORT
Evaluacion
del
desempeño
humano
(HPE)
KepnerTregoe
CU NDOUSA
NDOUSAR
R
VENTAJ
VENTAJA
AS
Uso de múltiples
problemas con
cadena larga o
compleja de factores
causales
Proporciona una
presentación visual
del proceso de
análisis. Identifica
probables factores
que contribuyen a
la condición.
Se utiliza cuando la
causa es
Proceso de 6 pasos
desconocida.
simple.
Especialmente útil en
la evaluación de fallas
en el equipo.
Uso para identificar
errores de barreras y
equipos y problemas
problemas
administrativos
administra
tivos y de
procedimientos.
Utilizar cuando existe
una escasez de
expertos para
formular las
preguntas correctas y
siempre que
problema
es el
recurrente. Útil para
resolver problemas
de programación.
Utilice siempre que
personas hayan sido
identificadas como
involucradas en la
causa del problema.
Uso en grandes
preocupaciones,
donde todos los
aspectos necesitan
un análisis
exhaustivo.
Proporciona
enfoque
sistemático.
Puede utilizarse
con limitada
formación previa.
Proporciona una
lista de preguntas
DES
DESVEN
VENTAJ
TAJA
AS
Lento y requiere
familiaridad con el
proceso para ser
eficaz.
Limitado valor
debido a peligro de
aceptar la
respuesta
“obvia pero
errónea.
Requiere
familiaridad con el
proceso para ser
eficaz.
Sólo se puede
identificar el área
de causa, no
causas específicas.
Enfoque altamente
estructurado se
centra en todos los
aspectos de la
aparición y
resolución de
problemas.
Requiere una
perspectiva amplia del
evento para identificar
problemas no
relacionados. Ayuda a
identificar la ocurrencia
de las desviaciones de
métodos aceptables.
Una técnica singular
problema que puede
utilizarse en apoyo de
una mayor investigación.
investigación.
Todas las causas de raíz
no pueden identificarse.
Este proceso se basa en
el concepto de
riesgo/destino MORT.
Si este proceso falla en
identificar las áreas
problemáticas, buscar
ayuda adicional o utilizar
el análisis de causa y
efecto.
para los factores
específicos
de
control y gestión.
Análisis exhaustivo.
OBSE
OBSERVA
RVACI
CIONES
ONES
Ninguno si el
proceso es seguido
de cerca.
Requiere capacitación
HPE.
Puede ser más
amplio que lo
necesario.
Requiere capacitación
en Kepner-Tregoe.
Tabla 7.3
Análisis de Eventos y Factores Causales: identifica la secuencia temporal de
una serie de tareas o acciones y las condiciones circundantes que condujeron a
una ocurrencia. Los resultados se muestran en un gráfico que provee una
imagen de las relaciones de los eventos y factores causales.
Análisis de Cambio: se utiliza cuando el problema es oscuro. Es un proceso
sistemático que se utiliza generalmente para una sola aparición y se centra en los
elementos que han cambiado.
Análisis de Barreras: es un proceso sistemático que puede utilizarse para
identificar obstáculos físicos, administrativos y procesales o controles que
deberían haber evitado la aparición.
278
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Supervisión de la gestión y análisis de árbol de riesgo (MORT): MORT y
Mini-MORT se utilizan para identificar deficiencias en las barreras y controles,
funciones de apoyo y administración de funciones. Identifica los factores
específicos relacionados con la aparición e identifica los factores de gestión que
permitieron que estos factores existieran.
Evaluación de Desempeño Humano: identifica los factores que influyen en
el desempeñoeldeambiente
la tarea.deEltrabajo
enfoque
de factores
este método
de análisis
está en de
la
operatividad,
y los
de gestión.
Los estudios
interfaz hombre-máquina para mejorar el rendimiento priman sobre las
medidas disciplinarias.
Kepner-Tregoe: de problemas y toma de decisiones proporciona un marco
sistemático para recopilar, organizar y evaluar información y se aplica a todas
las fases del proceso de investigación de ocurrencia. Su enfoque en cada fase
ayuda a mantener ellas separadas. La fase de causa raíz es similar a la el análisis
de cambio.
Hay muchas metodologías de investigación empaquetadas y vendidas. La
mayoría de los métodos de investigación comerciales vienen con manuales de
capacitación,
con su
propia
jerga especializada.
Existen
profesionales
enseñan el método.
Estas
metodologías
de investigación
incluyen
una ofertaque
de
diagramas de flujo con formato y hojas de trabajo para informes provisionales y
finales y una serie de publicaciones que ayudan al novato en la metodología
particular. Algunos también ofrecen diagramas de flujo y procesamiento que
producen informes completos ya formateados según la metodología particular.
También se ofrecen algunas clases de entrenamiento avanzado donde una
persona puede convertirse en un entrenador certificado en un método en
particular.
El método de Kepner–Tregoe, comúnmente llamado método K–T, es una
estructura racional que maximiza las habilidades de pensamiento crítico de
personas clave. Incluye:
• Evaluación de la situación.
• Análisis de problemas.
• Análisis de decisión.
• Análisis de problemas potenciales.
El notable éxito logrado en la comercialización del método K-T ha generado
muchos competidores. No parece haber un método mejor. Cada uno tiene sus
puntos buenos y puntos débiles, dependiendo de la aplicación en particular, el
instructor y la capacidad de la persona para aplicar el método particular.
Algunos parecen funcionar mejor para problemas de gestión, y otras para
problemas de equipamiento.
279
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Las metodologías de investigación comercializadas más populares son Proact
®, Kepner–Tregoe ® (esto es, eThink ® y Project Logic ®), Apollo ® (es
decir, RealityCharting ®) y Tap Root ®. Otros materiales de capacitación de
causa raíz de falla son conocidos por el nombre del instructor que desarrolló los
materiales, por ejemplo, Chong Chiu del FPI Internacional ®. Sin embargo,
esta es sólo una lista pequeña. Existen demasiadas metodologías para
mencionarlas
porlos
su nombre.
Deben
evitarse
métodos de investigación propietarias que no usan el
método científico, sino supuestos implícitos en sus técnicas analíticas; no
persiguen pruebas para falsación y no permiten definir fácilmente hipótesis
iniciales que puedan evolucionar a medida que se recopilan pruebas. Sin estos
fundamentos, el informe resultante de la investigación puede ser una colección
de hechos lógicamente desarticulados y comentarios estrictamente
empaquetados en un formato agradable.
EJEMPLO 7.D RCA de ince
incendio
ndio en horno en planta
planta petroquímica
Este análisis describe un caso en el que una parte importante de las causas de la
falla
no son
o eventos
relacionados
conunlos
materiales
y la
operación,
sinocondiciones
con los sistemas
de control.
Se trata de
horno
tipo cabina,
destinado a calentar un hidrocarburo que circula por tubos alrededor de las
paredes y el “techo” del horno. Este horno sufrió una explosión seguida de
fuego luego de menos de dos años de funcionamiento, ver Figura 7.D1 (a,b). La
Figura 7.D2 muestra la parte inicial del árbol de causa-efecto.
Figura 7.D1 (a,b) Horno que sufrió una explosión seguida de fuego
280
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
Falla en la
entrada de aire
Incorrecta
a ertu
rtura de
ventilador de
Tiro Forzado
Falla en el
asa e de Tiro
Forzado a
Explosión del
Horno R10
Natural
Falla en el
sistema de
control
Válvulas abiertas
ventilador
a a ado
Falla en el
sistema de
suministro de
combustible
Presencia de
filtraciones de
aire
Figura 7.D2 Parte inicial del árbol de causa-efecto
La investigación de antecedentes y datos testimoniales permitió verificar que la
detonación fue la falla más importante de una serie de problemas relacionados
con el control de la llama y el reencendido, apagado aleatorio e incluso con
detonaciones anteriores, aunque pequeñas y de menores consecuencias. El
horno tuvo problemas con el gas de alimentación desde el comienzo y estaba
diseñado para gas natural. Se instaló rápidamente la idea de que los posibles
2
bolsones
de CO
en elextinción
gas de pozo
fallado podían
generar
de la utilizado
llama por como
falta decombustible
combustible.en el horno
El funcionamiento general del horno, su secuencia de tareas y el control de los
eventos se realiza a través
través de programas
programas ejecutados por un PLC.
PLC. Comenzaron
a realizarse modificaciones a la programación original del PLC desde temprano
en la vida del equipo. Se realizaron modificaciones al equipo, a los
procedimientos de re-ignición, arranque y al programa de control. La
programación del PLC se modificó reiteradamente, para permitir el
reencendido inmediato del horno, sin venteo y purga de gas previo, operación
no recomendada por el fabricante. La versión del programa de control
analizada luego de la falla no coincidía con la versión del programa que
supuestamente se instaló la última vez que se modificó. Al momento de la falla
algunos sensores estaban fuera de servicio.
281
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Vamos directo al diario del lunes: un detalle constructivo que es clave en la
sucesión de eventos que condujeron a la falla de este horno es el sistema de
“dampers” o compuertas para el ingreso del aire para la combustión. El horno
cuenta con un sistema de compuertas que permite alternar la entrada de aire
forzada o natural. Las dos compuertas se muestran en la Figura 7.D3. Cuando
ambas compuertas quedaban en una posición intermedia entre abiertas y
cerradas,
Esto
“corrigió”
durante7.D3).
el montaje
mediante
un
rebaje tenían
en unointerferencia.
de los dampers
(verseflecha
en la Figura
Pero este
rebaje
resultó insuficiente. Ahora las compuertas no solo chocaban, sino que podían
quedar trabadas por fricción, en una posición intermedia.
Figura 7.D3 Las compuertas de tiro natural y forzado interfieren entre sí
La causa inmediata del incidente está sustentada en la concurrencia de las
siguientes causas:
a) Apagado frecuente de la llama
llama por mala combustión.
combustión.
b) Falla del ventilador del tiro forzado.
c) Error de programación del PLC que inhibió el pasaje
automático de tiro forzado a natural ante una falla del primero.
d) Secuencia de re-encendido insegura ante falta de llama (10
intentos de 1 minuto).
e) Falta de control, alarma y paro de horno ante condiciones
peligrosas.
La Figura 7.D4 muestra la parte final del árbol de causa-efecto, las causas
falsadas se encuentran tachadas. Se omiten las líneas de investigación que
condujeron a posibles causas falsadas. Existe una concurrencia de fallas. La falla
en el pasaje de tiro forzado a natural derivó en la falla que determinó la
detonación debido a que también fallaron los sistemas de control y de
282
Capítulo 7: Análisis de causas raíz
seguridad. Las sucesivas modificaciones en los programas ejecutados por el
PLC resultaron en las siguientes inconsistencias:
•
•
•
•
Error en el cambio de tiro forzado a tiro natural.
Presión de gas a quemador máxima durante el reencendido.
Secuencia de encendido del piloto diferente a la de diseño.
Error de sensado en la apertura del damper de entrada de aire natural.
En versiones previas, el programa del PLC estaba diseñado para provocar el
paro del horno ante la detección de falta de llama durante la operación. Las
versiones posteriores incluyen una secuencia de reencendido que energiza el
transformador de ignición para recuperar inmediatamente la llama ante la
detección de falta de llama durante la operación del horno.
Por un error de programación, la ejecución de la secuencia de reencendido
provocó la desactivación del cambio de tiro forzado a tiro natural. Como
consecuencia de esto, ante un apagado de llama, el horno se reenciende. Luego,
una falla en el tiro forzado
f orzado provoca que el horno continúe operando sin ingreso
de
aire (incluso
el máximo
térmico
habilitado).
dificulta
o inhibe
la formación
decon
la llama
ya querégimen
la mezcla
combustible
poseeSeuna
composición
excesivamente rica, mayor que el límite superior de ignición.
En estas condiciones, sin llama y con la fuente de gas funcionando a máximo
régimen, el gas se acumula en el interior del horno, siempre con el ignitor del
horno intentando encender
encender el que
quemador.
mador. Esta situación es peligrosa
peligrosa ya que la
atmósfera interior del horno puede ingresar en el rango inestable ante un
inesperado ingreso de aire (por ejemplo si la falla del tiro forzado fuera
intermitente) o si existiera algún elemento con temperatura superior a la de
ignición de la mezcla explosiva.
Se omite en este caso el árbol completo de causa raíz, debido a su complejidad
y a que ya se han presentado otros ejemplos de su construcción.
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Análisis de fallas – Fundamentos
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
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CAPÍTULO 8
MECANISMOS DE DAÑO Y
FALLA EN MAQUINARIAS
8.1 Definición de falla en maquinarias
8.2 Modos de falla característicos en ejes
EJEMPLO 8.A Falla en eje de mando de bomba hidráulica
8.3 Falla en rodamientos
EJEMPLO 8.B Falla de rodamiento en generador de corriente
alterna
8.4 Falla en cojinetes de deslizamiento
EJEMPLO 8.C Falla de cojinete
cojinete de deslizamiento
deslizamiento de motor a gas
de gran potencia
8.5 Falla en elementos de transmisión: engranajes y acoples
EJEMPLO 8.D Falla de un acople flexible
8.6 Elementos de unión: pernos, bulones, elementos roscados
EJEMPLO 8.E Falla en un bulón tipo Allen de sujeción de pistón
de compresor
8.7 Fallas características en turbo máquinas
EJEMPLO 8.F Falla detectada en el rotor de una turbina de vapor
8.1 Definición de falla en maquinarias
Una máquina (del latín machĭna), dentro del concepto amplio utilizado en este
texto, es un conjunto de piezas o elementos móviles y fijos cuyo
funcionamiento permite utilizar, dirigir, regular o transformar energía. Las
máquinas están formadas por conjuntos de mecanismos de mayor o menor
grado de complejidad, que en su conjunto presentan un solo grado de libertad,
de manera que en su funcionamiento está determinada unívocamente la acción
resultante. aAsí,
máquinas
elementos
móviles
y fijos
soportadosEno
vinculados
unalas
estructura
fijatienen
que segura
la adecuada
rigidez
y estabilidad.
una máquina, como en otros sistemas más o menos complejos, la definición de
falla está dada a partir de:
La función: cuando la máquina no cumple con la función satisfactoriamente
debido a que presenta una disminución de las prestaciones en términos de
producción, capacidad máxima, rendimiento o calidad u oportunidad.
La confiabilidad: cuando la máquina, si bien cumple con la función, lo hace
con recurrencia de eventos que determinan la detención y fuera de servicio del
equipo, y su funcionamiento presenta riesgos por sobre los niveles
considerados como aceptables para la operación. Uno de los parámetros para
medir
la confiabilidad
una máquina
es elpunto
tiempo
medioseentre
fallasfalla
(“mean
time between
failures” de
MTBF).
Desde este
de vista
considera
a la
285
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
detención de la máquina debido a causas que pueden solucionarse mediante el
reemplazo o reparación de partes y que requieren operarios con habilidades
para reconocer y solucionar el problema. Las acciones correctivas involucran la
intervención de la máquina en mayor o menor grado. Se diferencian así a las
fallas de las paradas no programadas, las que son recuperadas mediante la
intervención o asistencia del personal de operación o mantenimiento sin el
reemplazo de partes o repuestos más allá de los consumibles normales.
normales.
La integridad estructural de la máquina: cuando se han detectado daños en
partes de la máquina que hacen que su operación pueda verse afectada por el
progreso del daño, transformándose en una falla catastrófica en la que se verían
afectadas partes de mayor importancia y costos del equipo.
Las máquinas son elementos más o menos complejos, constituidos por
conjuntos y subconjuntos, sistemas y subsistemas mecánicos, hidráulicos,
neumáticos, eléctricos y electrónicos, y están construidas en los más diversos
materiales metálicos y no metálicos. Esto y el hecho de que las diferentes partes
están en contacto con los más diversos fluidos y factores ambientales hace
imposible abordar el estudio de los modos de fallas de las máquinas en forma
individual.
Sin embargo,
hay un conjunto de
de laelementos
a lamodos
mayoría
de las máquinas
que independientemente
aplicacióncomunes
presentan
de
falla que les son particulares y pueden estudiarse en forma genérica.
Estos elementos son, por ejemplo, los ejes, elementos de trasmisión
(engranajes, cadenas y correas), cojinetes y rodamientos, elementos de unión
(pernos roscados, remaches, pasadores y chavetas), rotores de máquinas
rotantes, bombas centrífugas, compresores rotativos, etc.
Existen técnicas para detectar las fallas en forma prematura y evitar así daños
mayores, llamadas técnicas de mantenimiento predictivo, que serán analizadas
en cierto detalle en el Capítulo 9. Estas técnicas incluyen el monitoreo
permanente de las variables operativas, análisis de vibraciones, inspecciones
visuales adecuadamente programadas y documentadas. De producirse una falla
total o parcial en una máquina, es sumamente importante la evaluación
exhaustiva de la parte o sistema fallado mediante un análisis de falla completo,
que determine el mecanismo de falla y las causas del mismo.
8.2 Modos de fallas en ejes
Consideramos aquí a los “ejes” como elementos rotantes que están sometidos a
esfuerzos de torsión y a momentos flectores. Los ejes están vinculados al
mecanismo principal mediante elementos de trasmisión y a la estructura
mediante los apoyos de los cojinetes o rodamientos. Por razones constructivas,
de selección y ahorro de material, los engranajes, poleas y brazos son parte en
forma continua del propio eje. Los cigüeñales y árboles de levas son la
286
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
excepción, ya que su forma no es meramente cilíndrica y las muñequillas y
camones son parte integrante de la cinemática general de la máquina. Suele
denominarse como “árboles” a los ejes que están sometidos fundamentalmente
a solicitaciones de torsión por sobra las demás cargas y son elementos
destinados a trasmitir potencia.
Los puntos
máscambios
críticos de
endiámetros,
los ejes sonchaveteros,
las discontinuidades
geométricas
que sey
generan
en los
ranuras para
retenes y sellos
agujeros de lubricación. La Figura 8.1 muestra la propagación subcrítica de
fisuras por fatiga a partir de concentradores geométricos en el chavetero de un
eje y en el radio de acuerdo de un cigüeñal.
Figura 8.1 Propagación subcrítica de fisuras por fatiga
a partir de concentradores geométricos
Los modos de falla más característicos en ejes están resumidos en la Tabla 8.1.
En la columna “Ref.” se indican los lugares típicos de ocurrencia de cada uno
de los tipos de falla, según el esquema mostrado en la Figura 8.2.
Figura 8.2 Lugares típicos de ocurrencia de algunos de los tipos de falla de la Tabla 8.1
287
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
MODO DE FALLA
CAUSA
Ref.
CARACTERISTICA
Fractura por flexión
frágil
Sobrecarga en relación
con la resistencia del
material
1
e aspecto granular liso,
trasversal al eje, sin
deformación plástica
Fractura por torsión
frágil
Sobrecarga en relación
con la resistencia del
material
Sobrecarga en relación
con la resistencia del
material
Rotura de partes
vinculadas con el eje,
abrupta detención o falla
catastrófica de la
maquina.
Cargas alternativas,
concentradores de
tensión, iniciadores
metalúrgicos o
geométricos.
2
n forma helicoidal, sin
deformación plástica
3
Aspecto fibroso, dirección
circunferencial, en sección
transversal al eje
Visibles a simple vista, hay
partes del eje golpeadas o
rotas aún montadas.
Pandeo por torsión o
flexión
Ejes de sección de pared
muy fina, resonancia,
sobrecarga de estados
combinados
6
Desgaste abrasivo y/o
adhesivo
En las partes con
deslizamiento, falla de
lubricación o
contaminación, baja
velocidad de giro ,
sobrecarga, material del
buje inadecuado
Partes en contacto con
desplazamiento relativo,
falta de interferencia en el
montaje, cargas
alternativas elevadas.
7
Parte de los ejes que está
en contacto con fluidos
corrosivos, intersticios o
9
Factura dúctil por
torsión
Deformación plástica
por flexión y torsión
Fatiga
Torsión
4
5
Flexión
Fretting o ludado de
superficies
Corrosión , pitting
288
8
arcas de playa, en plano
a 45 grados, con una
sección de fractura frágil o
dúctil en el ligamento
remanente.
arcas de playa, en plano
transversal, con una
sección de fractura frágil o
dúctil en el ligamento
remanente.
Colapso plástico de la
pared del tubo del eje.
Fracturas de la pared,
oblicuas o longitudinales.
Se da en arboles de
material compuesto de
pared muy delgada.
Superficie rallada o con
adherencia de material,
signos de daño térmico,
material despedido con
corrosión.
Suele haber fisuras
asociadas al este daño
rosión en las superficies
con trasferencia de
material, residuos en forma
de polvo o mesclados con
lubricante de color rojizo o
castaño
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
sitos confinados con
lubricante degradado
Fatiga superficial o
picado
Deformación plástica
de chaveteros múltiples
Fatiga en chaveteros
Superficies del eje que
soportan elementos
rodantes, el eje hade de
pista interna de un
rodamiento
Sobrecarga en estrías
desgastadas, tratamiento
térmico deficiente
Falta de ajuste entre el eje
y el elemento de
transmisión, poco radio
en el fondo del
chavetero
10
11
12
Las estrías están
distorsionadas en el plano
limite del contacto
La fractura progresa por
fatiga en forma paralela a
la superficie, en forma de
peladura
Tabla 8.1 Modos de falla característicos en ejes
EJEMPLO 8.A Falla en eje de mando de bomba hidráulica
Se detectó una falla en un eje de mando de bomba hidráulica de las máquinas
de maniobras de redes en un buque pesquero. La inspección mostró claras
evidencias de propagación por fatiga de una fisura originada en el fondo del
chavetero (Figura 8.A1), a partir de un sitio de iniciación en el cual se ven
claramente beach marks indicativos de la sucesivas etapas de propagación de la
fisura. El eje también tenía signos de pérdida de material por fretting, tanto en
el eje como en la parte correspondiente en el cubo, con un desgaste de varios
milímetros en el diámetro, signo de haber estado funcionado suelto mucho
tiempo.
Figura 8.A1 Falla en el chavetero en un eje de mando de bomba hidráulica de las
máquinas de maniobra de redes en un buque pesquero
289
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La falla del eje se produjo por fatiga iniciada en el fondo del chavetero. La
forma de propagación de la fractura es típica en este tipo de uniones y está
documentada en la bibliografía (Figura 8.A2). Se debe a la combinación de
cargas variables y a un estado tensional elevado debido a la presencia del
concentrador de tensiones que constituye el chavetero. Tanto el eje como el
cubo tienen evidencias de haber trabajado con excesivo huelgo, exagerado en
las últimas etapas de la falla debido a la pérdida de material por fretting.
chavetero
(a)
eje
fractura
eje
chavetero
(b)
fractura
Figura 8.A2 Referencia bibliográfica de este tipo de fisura (Metals Handbook). Este
tipo de fractura se inicia en el fondo de los chaveteros y propaga en forma de peladura
por el contorno
Figura 8.A3 (a) Sitio de iniciación de la fractura y posterior propagación por fatiga
(b) marca dejada por la fractura de la chaveta
290
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
8.3 Falla en rodamientos
Los rodamientos son elementos mecánicos que han evolucionado de gran
manera, logrando un muy amplio campo de aplicación en todo tipo de industria
con una gran confiabilidad. El comportamiento en servicio de los rodamientos
depende fuertemente de las condiciones
condiciones de montaje, lubricación,
lubricación, sellado
sellado de la
cámara
de de
elementos
rodantes,
rodantes,
condiciones
de servicio
servicioconsiderando
y ambientales.
ambientales.
el
análisis
la falla de
rodamientos
debe realizarse
noPor
sóloello,
la
condición del rodamiento, sino también el contexto de todos los factores
mencionados y las partes de la máquina relacionadas con la función del mismo.
Los modos de falla de los rodamientos están tipificados en diferentes normas,
tales como la ISO 243, en la que se tipifica el daño en función de la
caracterización visual, haciendo referencia a un conjunto de causas en cada
caso. Los manuales de fabricantes proveen una extensa documentación con
imágenes de los distintos modos de fallas.
1. Fatiga
2. Desgaste
3. Corrosión
1.1 Fatiga su superficial
1.2 Fatiga propagada de la
superficie
2.1 Desgaste abrasivo
2.2 Desgaste adhesivo
3.1 Corrosión por
humedad
3.2.1 Corrosión por Fretting
3.2 Corrosión con erosión 3.2.2 Falsa indentación o
brinelling
4.1 Excesiva diferencia de
4. Erosión eléctrica
potencial
4.2 Fuga de corriente
5. Deformación
plástica
5.1 Sobrecarga
6. Fractura
5.2.1 Indentación por partículas
desprendidas
5.2 Indentación, brinelling 5.2.2 Indentación por manejo y
montaje.
6.1 Fractura por
sobrecarga
6.2 Fractura iniciada por
fatiga
6.3 Fractura térmica
Tabla 8.2 Modos de falla de rodamientos
rodamientos
291
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Delos modos de falla característicos de los rodamientos, los que les son propios
y no se dan raramente en otros elementos de máquinas son la erosión eléctrica,
la falsa indentación o falso brinelling y la indentación. La creciente utilización
de variadores de velocidad y controles programables de motores eléctricos han
producido un incremento de las fallas por chispeo (o arcing) en los
rodamientos, debido a las corrientes de alta frecuencia que se establecen entre
el rotor y la carcasa a través de los elemen
elementos
tos rodantes.
La falsa indentación o falso brinelling es la erosión de las pistas de rodadura en
correspondencia con la localización de las bolas o rodillos. Se produce por la
acción de vibraciones sin estar la máquina girando. Las vibraciones desplazan la
película de lubricante permitiendo el contacto entre las partes metálicas. Puede
darse durante el trasporte o en servicio debido a la vibración de máquinas
adyacentes. La indentación o brinelling verdadera se produce por sobrecarga en
condiciones estáticas
estáticas de mecanismo,
mecanismo, debido a malas prácticas
prácticas de montaje
montaje o
manipulación. Siempre están asociadas a deformaciones plásticas importantes.
Figura 8.3 Marcas de falso brinelling en pistas
pistas de rodamiento
EJEMPLO 8.B Falla de rodamiento en generador
g enerador de corriente alterna
Un grupo de generadores de las mismas características presentó una falla
recurrente en los rodamientos. Se produjo la falla catastrófica en varios de ellos
y en otros se detectó en las fases iniciales del problema. La inspección de los
rodamientos y del conjunto de la maquinaria permitió definir que la causa
principal de las fallas fue arco eléctrico (arcing) producido por falla de la
aislación de la pista externa (Figura 8.B2). Debido al mismo motivo se produjo
la degradación del lubricante perdiendo éste su fluidez. (Figura 8.B3).
292
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
b
a
b
Figura 8.B1 Daño en el eje del generador. Se aprecia erosión adhesiva y con pérdida de
material (a) por deslizamiento de la pista interna del rodamiento (b) por contacto con
las tapas del sello
Figura 8.B2 Tapa porta rodamientos. Se observan las láminas aislantes de las pistas
exteriores y los orificios de descarga de exceso de grasa. La grasa está degradada por
efecto del arco eléctrico
293
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 8.B3 Grasa retenida entre los elementos rodantes del rodamiento.
Se observa severa degradación de aspecto endurecido y fibroso, típico de la elevación
de temperatura por arcing
Las fallas se produjeron poco después de realizarse la operación de relubricación. Durante esta operación el ingreso de grasa fresca produjo el
desplazamiento de la grasa degradada a la pista de rodadura, lo que generó un
aumento de la temperatura por encima de lo normal y un aumento del torque
de arrastre. Ambos factores provocaron el aflojamiento y giro de la pista interna
sobre el eje con consecuencia de erosión adhesiva y erosiva en el mismo y la
destrucción de los rodamientos. Se identificó como causa secundaria la
insuficiente fijación entre pista interna del rodamiento y el eje.
Para evitar la recurrencia de la falla se reemplazaron los rodamientos por otros
aislados eléctricamente en la pista externa y se modificó el diseño de la sujeción
de la pista interna mediante el agregado de una pieza que provee de compresión
axial de la pista contra el eje.
8.4 Falla en cojinetes de deslizamiento
Los cojinetes de deslizamiento están diseñados para transmitir fuerza radial
entre superficies, generalmente cilíndricas eje-soporte. Los cojinetes están
construidos con matariles que ofrecen bajo coeficiente de rozamiento,
resistencia al desgaste y generalmente mucha menor dureza que la del eje en la
zona de contacto. Pueden estar construidos para funcionar con o sin
lubricación, lográndose en el primer caso una reducción de coeficientes de
fricción y duración de varios órdenes de magnitud respecto de los no
lubricados. Los cojinetes lubricados funcionan mediante el principio de la cuña
de aceite que se forma al girar una parte respecto de la otra, separando las
294
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
partes en contacto. Así la performance de los cojinetes varía con el tipo de
régimen de lubricación del contacto:
•
•
•
•
Hidrodinámica, cuando la capa de lubricante separa totalmente las
superficies en contacto.
Elastohidrodinámica, cuando las superficies pueden llegar a estar en
contacto pero los perfiles de rugosidad no soportan cargas por sobre el
límite elástico del material.
Mixto, cuando la carga es soportada parcialmente por los por las
superficies.
Seco o de contacto, cuando no hay lubricante o es muy escaso.
Los materiales utilizados en la construcción de cojinetes de deslizamiento son
muy variados y existen diferentes tecnologías para la construcción de los
cojinetes. Los cojinetes de deslizamiento se construyen generalmente de manera
que sean fácilmente reemplazables en forma de bujes o en medias mitades y
están formados por varias capas metálicas. Las capas que están en contacto con
el soporte oelásticamente
estructura deal lasoporte
máquina
son de cierto
acero grado
de altaderesistencia
y se
acomodan
mediante
interferencia,
otorgando al cojinete la forma final. Las capas en contacto con la pieza móvil
son de aleación antifricción y pueden ser una o varias de acuerdo a la tecnología
utilizada. Existen aleaciones antifricción en base a aluminio, cobre y estaño.
La Tabla 8.3 resume los mecanismos de daño antagónicos a las propiedades que
definen a los materiales antifricción más allá de las propiedades mecánicas
usuales. Estas son: compatibilidad, conformabilidad, resistencia a la fatiga,
incrustabilidad, dureza y resistencia a la corrosión. Estas propiedades están
referidas al comportamiento en servicio del sistema tribológico y están
fuertemente relacionadas con los espesores y disposición de las diferentes
capas.
En particular, la “conformabilidad” está referida a la capacidad del material de
deformarse plásticamente hasta redistribuir las solicitaciones ante
anormalidades geométricas del cojinete o del conjunto. La “incrustabilidad” es
la capacidad de incorporar e inmovilizar partículas dentro de la masa del
cojinete, sin generar daños ulteriores o minimizando las consecuencias.
295
Análisis de fallas – Fundamentos
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Propiedad
tribológica del
material
Compatibilidad
Mecanismo de daño
asociado
Erosión adhesiva
Conformabilidad Erosión adhesiva,
Resistencia a la
fatiga
Incrustabilidad
Dureza
Resistencia a la
corrosión
Causas de la falla
Rugosidad, película de aceite
inadecuada
Desalineación, defecto de
montaje,
deficiencias
geométricas.
Excesiva carga dinámica,
cargas localizadas
(desalineación, ovalización,
etc.)
Erosión abrasiva
Partículas en el aceite,
contaminación
Extrusión, deformación Cavitación yo
plástica
sobrecalentamiento
Erosión corrosiva
Lubricante degradado,
(sobrecalentamiento,
lubricante contaminado (agua,
combustible refrigerantes).
erosión
por fatiga
superficial
Fatiga superficial
Tabla 8.3 Mecanismo de daño asociado a las diferentes propiedades
de los materiales antifricción
EJEMPLO 8.C Falla de cojinete de deslizamiento de motor a gas de
gran potencia
Se produjo la falla catastrófica de varios cojinetes de un motor a gas de 5000
Hp. El motor fue asistido por los operadores debido a la detección de ruidos de
funcionamiento anormales. Se encontró una gran cantidad de metal antifricción
en el fondo del cárter, por lo que la unidad quedó fuera de servicio. La falla
principal detectada durante el desarme fue daño en varios cojinetes de biela y
erosión abrasiva y adhesiva en los correspondientes muñones de biela en el
cigüeñal.
El motor había estado en servicio 50.000 hs. y estaba pronto para ser sometido
a una recorrida general planificada debido a que el fabricante había ofrecido un
reemplazo sin cargo de todas las bielas y cojinetes.
Los cojinetes fallados se encontraron totalmente destruidos por lo que no
aportaron indicios del origen de la falla. El resto de los cojinetes presentaba
daño de erosión por fatiga con pérdida de material (Figura 8.C1) con una
marcada pérdida de material del lado del respaldo por fretting y aplastamiento.
El desgaste copia la rugosidad y forma el alojamiento de la biela (Figura 8.C2).
296
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.C1 Daño de erosión por fatiga con pérdida de material en la capa antifricción
del cojinete. Se trata de un cojinete bicapa de aleación antifricción base aluminio
Aplastamiento y
perdida de material
Superficie de respaldo original
Figura 8.C2 Respaldo del cojinete. Se aprecia erosión y aplastamiento del material del
respaldo del cojinete. El desgaste copia la rugosidad y forma el alojamiento de la bbiela
iela
Figura 8.C3 Micrografía del material del cojinete, se aprecia fisuras subsuperficiales
propias de daño por fatiga
297
Análisis de fallas – Fundamentos
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Los análisis fractográficos y metalográficos permiten concluir que la pérdida de
material en la superficie de deslizamiento se produjo por fatiga subsuperficial en
el recubrimiento antifricción base aluminio, produciendo el desprendimiento de
partículas que fueron arrastradas por el flujo de aceite hacia otras partes del
cojinete o fuera del sistema.
Unasoporte
de las del
causas
principales
de la
la aparición
deaplastamiento
fatiga se atribuye
la pérdida
de
cojinete
en su alojamiento
por el
de laa rugosidad
inicial del alojamiento de la biela y el subsecuente fretting. La falla catastrófica
se produjo por un escalamiento del daño descripto, el cual degeneró en la
destrucción total de los cojinetes. El reemplazo de bielas y cojinetes ofrecido
por el fabricante
fabricante incorporó modificaciones en la rugosidad
rugosidad de la biela y el
método de fijación y posicionamie
posicionamiento
nto del cojinete en la misma.
8.5 Falla en Elementos de trasmisión:
t rasmisión: engranajes y acoples
8.5.1 Engranajes
Las
fallas
en engranajes
suelen
obedecer a inicial
causaspara
que determinar
provienen de
elementos
ajenos
al mismo,
por lo que
la inspección
la causa
de la
falla es la más importante. Debe realizarse sin desarmar los conjuntos, sellos ni
chaveteros ya que los mismos pueden verse modificados durante el desarme e
inducir pistas o señales erróneas en el análisis. Del mismo modo, el registro de
los patrones de contacto entre dientes debe hacerse en relación con los de los
demás componentes. También es importante verificar el estado del lubricante,
tomar muestras del mismo antes de la primer limpieza y determinar si hay
signos de corrosión, contaminación o sobre calentamiento. La inspección de los
cojinetes de los ejes es determinante ya que la falla de engranajes suele ser muy
frecuentemente la causa de falla de los cojinetes. El desgaste de los cojinetes
puede generar aumento de la distancia entre ejes o desalineaciones. El estado
general de los cojinetes puede dar indicios de falta de lubricación,
contaminación o sobrecarga.
La verificación del diseño del engranaje puede confirmar la existencia de
sobrecarga o fatiga si las condiciones operativas fueron modificadas. En todos
los casos hay que confirmar las propiedades mecánicas y metalografías de los
materiales utilizados. Los cálculos y verificaciones
verificaciones pueden hacerse según
AGMA 2001-B88,Standard
2001-B88,Standard 1010-95, Nomenclature of Gear Tooth Failure
Modes, AGMA. Las causas principales de falla son, excesivas tensiones de
flexión en la base del diente y excesivas tensiones de contacto en la zona de
apoyo del diente. Una descripción más completa de los modos de falla de
engranajes puede verse en la Tabla 8.4:
298
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
1.Indicaciones de
alteraciones
superficiales
1.1 Desgaste por
fricción
1.2 Corrosión
1.3 recalentamiento
1.4 Erosión
1.1.1 Desgaste normal
(Running in wear)
1.1.1.1 Desgaste moderado
1.1.1.2 Pulido
1.1.2 Desgaste abrasivo
1.1.3 Desgaste prematuro
1.1.4 Erosión moderada (Scoring)
1.1.5 Erosión severa
1.1.6 Desgaste por interferencia
1.2.1 Corrosión química
1.2.2 Corrosión con fretting
1.2.3 Escamado
1.4.1 Erosión por cavitación
1.4.2 Erosión hidráulica
1.5 Erosión eléctrica
2. Scuffing
3. Deformaciones
permanentes
3.1 Indentación
3.2 Deformación
plástica
4. Fenómenos de
fatiga superficial.
5. Fisuras
6. Rotura de dientes
3.3 Rippling
3.4 Ridging
3.5 Quemaduras
4.1 Pitting
4.2 Flake pitting
4.3 Spalling
4.4 Case crushing
5.1 Quench cracks
5.2 Grinding cracks
5.3 Fatiga
6.1 Sobrecarga
6.2 Tooth shear
6.3 con deformación
plástica (Smeared
fracture)
6.4 Fatiga
3.2.1 Deformaciones plásticas por
rodadura
3.2.2 Deformaciones plásticas por
impacto entre dientes.
4.1.1 Pitting incipiente
4.1.2 Pitting avanzado
4.1.3 Micro pitting
6.1.1 fractura frágil
6.1.2 fractura dúctil
6.1.3 Semi-frágil
6.4.1 Bending fatigue
6.4.2 Tooth breakage
Tabla 8.4 Modos de falla de engranajes (ISO 10825)
299
Análisis de fallas – Fundamentos
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Muchos de los términos utilizados para definir el estado o apariencia del
material de los engranajes no tiene una traducción apropiada o se modifica el
concepto al ser interpretado fuera del contexto de la norma. Por ello, se
transcriben a continuación definiciones de los términos específicos:
Burnish: an alteration of the original manufactured surface ranging from a dull
to a brightly polished condition.
Wear: theinremoval
metal, without
evidence
of surface
fatigue
or scoring,
resulting
partial orofcomplete
elimination
of tool
or grinding
marks
and/or
development of a discernible shoulder ridge at the bottom of the contact area
near the root or at the toe or heel end of the pinion tooth contact area.
Abrasive Wear: wear caused by lapping of mating surfaces by fine particles
suspended in lubricant, fuel, air, or imbedded in a surface.
Adhesive Wear: wear caused by shearing of junctions formed between
operating surfaces in direct metal-to-metal contact; sheared-off particles either
remain affixed to either the mating surfaces or act as wear particles between the
surfaces.
Rippling: an alteration of the tooth surface to give an appearance of a more or
less regular pattern resembling ripples on water, or ash scales. NOTE:
examination of the surface with oblique lighting usually is necessary to show
this
condition.
Ridging
: alteration of the tooth surface. The result is a series of parallel raised
and polished ridges running in the direction of the sliding motion, either
partially or completely across the tooth surfaces.
Pitting: small irregular cavities in the tooth surface, less than 1 square
millimeter, resulting from the breaking out of surface metal.
Spalling: the breaking-out of fakes or irregular area of the tooth surface, 1
square millimeter or larger; a condition more extensive than
t han pitting.
Scoring: displacement of metal by local momentary welding from the gear
tooth, resulting in the development of a matte or frosted, dull surface.
Discoloration: any alteration in the normal color of rated surfaces.
Corrosion: a general alteration of the finished surfaces by discoloration,
accompanied by roughening not attributable to mechanical action. Rust is a
special case of corrosion.
Chipping: ring and pinion gears. A condition caused in the manufacturing
processing which a small irregular cavity is present only at the face/crown edge
interface. The edge chipping phenomenon occurs when sufficient fatigue cycles
accumulate after tooth surface wear relieves the compressive residual stress on
the tooth proffle´s side of the proffle-to-topland interface. Chipping within
1mm of the face/crown edge interface is to be called chipping, not pitting or
spalling.
8.5.2 Acoples
Los acoples, también denominados manchones, tienen por misión unir ejes
rotantes
de undiseñados
sistema mecánico
paraalgún
transferir
de yrotación
torque. Están
para permitir
gradoeldemovimiento
desalineación
absorbery
300
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
vibraciones torsionales. También existe otro requerimiento para los acopes:
proveer de un punto de rotura entere el eje motriz y el conducido, actuando
como fusible ante la ocurrencia de una severa sobrecarga torsional en el
sistema.
Figura 8.4. Modos de falla de engranajes: Falla por pitting avanzado (izq.) Spalling
(der.) Falla por fatiga subsuperficial, iniciada por debajo de la capa de cementado
Los acoples están diseñados para satisfacer determinados parámetros
operativos que incluyen: límites en la velocidad de giro, torque trasmitido,
desalineación probable de los ejes, vibraciones, juego admisible ante la
inversión de marcha (back lash), factores ambientales, condiciones de uso. Si
todos estos factores fueron debidamente evaluados en la selección del acople, y
el mismo es colocado, usado y mantenido correctamente, no se deberían
presentar eventos de falla durante toda su
s u vida útil prevista.
Si una falla prematura se produce, puede resultar en una pérdida económica
importante, además de un grave riesgo para
para las instalaciones
instalaciones y las personas.
personas.
Muchos sistemas de acoplamientos incluyen un diseño que minimiza los daños
sobrevinientes a una falla catastrófica.
Cuando la rigidez del acoplamiento es del orden de los ejes unidos, se dice que
el acoplamiento es rígido. Son más comunes los acoplamientos flexibles, que
están diseñados para tener una baja rigidez frente a las desalineaciones y
desplazamiento entre ejes, manteniendo al mismo tiempo una alta rigidez a la
torsión. Los acoples flexibles tienen un parte metálica o polimérica que está
diseñada para absorber las deformaciones.
301
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 8.5 Elementos de acoples rígidos y flexibles
El método que se utiliza para fijar el acople a ambos ejes depende de la
potencia trasmitida. Para bajas potencias y ejes de pequeño diámetro se utiliza
un ajuste deslizante con chavetero y los cubos o platos son posicionados
mediante tornillos que presionan contra el eje. Para medianas a grandes
potencias, los cubos se fijan a los ejes mediante ajuste prensado por
interferencia. La determinación de la interferencia adecuada es determinante en
la confiabilidad del acople. Si la interferencia es baja, los cubos pueden aflojarse
y generar fallas por fretting en el eje el cubo. Si por el contrario, la interferencia
es muy elevada, se pueden generar tensiones elevadas en los ejes, que sumadas a
las solicitaciones en servicio, pueden provocar la falla de eje por fatiga. Si bien
existe una gran cantidad de sistemas de acoplamiento, los modos de falla
característicos pueden clasificarse según la Tabla 8.5:
302
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Modo de falla
Desgaste o erosión severa en los
elementos flexibles o en los cojinetes de
los ejes
Rotura de elemento flexible polimérico o
corte de pernos o estriados
Fatigue de elementos flexibles, pernos o
discos metálicos
Falla de cojinetes
Cubos o platos flojos en el eje
Desgate de dentados
Degradación de elastómeros, severa
corrosión de ejes y cubos
Causa de la falla
Excesiva desalineación
Sobrecarga torsional instantánea
Vibraciones torsionales
Excesivas paradas y arranques
Falta de lubricante
Excesiva desalineación
Exceso de temperatura en servicio
Sobrecarga torsional instantánea o variable
Falta de lubricación
Sobrecarga torsional instantánea o variable
Elevada temperatura
Ataque químico, ambiente corrosivo.
Tabla 8.5 Modo de falla de acoples
EJEMPLO 8.D Falla de un acople flexible
El manchón de acople
acople estaba colocado
colocado en un motor de combustión interna de
gran potencia y acoplaba un compresor alternativo para trasporte de gas. Es un
acople cuyo elemento flexible está constituido por dos packs de laminas de
acero. Estaba especificado para un máximo de 1600 R.P.M. El valor máximo de
torque que éste puede soportar sin romperse es de 45000 kgm; el torque
nominal de trabajo del acople es de 30000 Kg.m. Los packs de discos flexibles
están montados a los extremos de una pieza distanciadora y a sendos cubos
(hubs) de los ejes, mediante bulones (Figura 8.D1).
La rotura de los paquetes de discos produjo la falla catastrófica del manchón.
De los cuatro bulones que agarran el paquete de discos con la pieza
distanciadora, dos resultaron cortados a la altura del primer filete de rosca
(Figura 8.D2) y los otros dos presentan severa deformación plástica por golpes
en la tuerca. Sólo un sector del paquete de discos flexibles permaneció unido a
uno de los bulones (Figura 8.D3).
303
Análisis de fallas – Fundamentos
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󰁂󰁵󰁬󰁯󰁮󰁥󰁳 󰁤󰁥 󰁵󰁮󰁩󰃳󰁮
󰁃󰁥󰁮󰁴󰁲󰁯
󰁃󰁥󰁮󰁴󰁲
󰁯 󰀭 󰁃󰁨󰁡 󰁡󰁳
󰁐󰁩󰁥󰁺󰁡 󰁤󰁩󰁳󰁴󰁡󰁮󰁣󰁩󰁡󰁤󰁯󰁲󰁡
󰁂󰁲󰁩󰁤󰁡 󰁯 󰁤󰁩󰁳󰁣󰁯
󰁡󰁤󰁡󰁰󰁴󰁡󰁤󰁯󰁲 󰁡󰁬
󰁈󰁵󰁢 󰁡󰁬
󰁶󰁯󰁬󰁡󰁮󰁴󰁥 󰁤󰁥󰁬 󰁭󰁯󰁴󰁯󰁲
󰁣󰁯󰁭󰁰󰁲󰁥󰁳󰁯󰁲
󰁂󰁵󰁬󰁯󰁮󰁥󰁳 󰁤󰁥 󰁵󰁮󰁩󰃳󰁮
󰁂󰁲󰁩󰁤󰁡 󰀭 󰁃󰁨󰁡󰁰󰁡󰁳
󰁃󰁯󰁮󰁪󰁵󰁮󰁴󰁯󰁳 󰁤󰁥 󰁤󰁩󰁳󰁣󰁯󰁳 󰁦󰁬󰁥󰁸󰁩󰁢󰁬󰁥󰁳
Figura 8.D1
Sección
transversal del acople.
Se indica la posición
posición de la rotura
rotura de los pack de discos
discos
Figura 8.D2 Disco de unión al volante
Figura 8.D3 Pieza distanciadora y parte
del a uete
uete de dis
discos
cos fle
flexib
xibles
les.
Si bien el paquete de discos resultó totalmente destruido, se reconstruyó la
posición de todas las partes del disco de acople y de la mayor parte del paquete
de discos flexibles. Se identificaron las fracturas más antiguas (Figura 8.D4) y
las marcas dejadas por las láminas fracturadas sobre las adyacentes (Figura
8.D5).
304
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.D4 Discos consecutivos fueron ubicados por sus huellas de corrosión, se
indica la marca dejada por el borde de fractura de uno sobre el otro
Figura 8.D5 Detalle de los discos. Se indica la impronta dejada por el disco superior
La falla final se produjo por la sucesiva rotura de discos flexibles debido a
propagación por fatiga de fisuras. Estas fisuras se iniciaron en los agujeros de
los pernos. La falla de las láminas fue progresiva, y pudo no haber generado
variaciones en el nivel de vibraciones de la máquina, sino hasta los últimos
instantes
de la de
falla.
aparición
de este
de dañopor
en los
de
poca precarga
losLa
bulones,
lo cual
fue tipo
confirmado
las discos
marcasesdetípica
erosión
y fretting dejadas por los discos en los pernos y en las superficies de contacto
con la pieza distanciadora. La presencia de corrosión en las láminas pudo
favorecer la iniciación de la fatiga. La rotura de la brida de unión se produjo
como consecuencia del colapso del paquete de discos, en parte por la flexión de
las cargas desbalanceadas al momento de la falla, y en parte por el impacto de
los bulones vinculados a la pieza separador.
305
Análisis de fallas – Fundamentos
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Figura 8.D6 Marcas de contacto
dejados por el paquete de chapas en los
pernos del lado de la rotura
Figura 8.D7 Signos de fretting sobre
la superficie de contacto de las láminas
con la brida
8.6 Elementos de unión: pernos, bulones, elementos roscados
Los tornillos de rosca helicoidal han sido uno de los inventos más importantes
en la mecánica. Sirven para la transformación de movimientos rotatorios en
lineales
y fundamentalmente
para
desarrollar
cargas
en mecanismos
como prensas,
morsas etc., y por
supuesto
comograndes
elementos
de unión
roscados.
Existe una gran cantidad de elementos de unión no roscados y
permanentemente se están desarrollando nuevos tipos de elementos de unión
como remaches, clavijas, retenes anulares, retenes elásticos, tornillos auto
roscantes, y más recientemente está tomando importancia la utilización de
pegamentos, fundamentalmente para la unión de materiales compuestos.
Sin embargo, los pernos roscados o bulones tienen la practicidad de permitir el
desarme sin dañar los elementos unidos, facilitando tareas de mantenimiento y
reemplazo de partes e inspección.
Uno de los principales objetivos del diseño mecánico es reducir el número de
tornillos y bulones. Sin embargo, siempre habrá una necesidad de los mismos
por los motivos enumerados. Por ejemplo, aviones jumbo Boeing 747, exigen
hasta 2,5 millones de sujetadores, algunos de los que cuestan varios dólares cada
uno. Para reducir costos se realizan constantemente nuevos diseños a fin de
disminuir los elementos de unión, facilitando y simplificando las técnicas de
instalación y utillaje.
La elección de los métodos de unión de piezas es extremadamente importante
en la calidad de un diseño de la ingeniería. Por lo que es fundamental tener un
profundo entendimiento de los principios involucrados
involucrados para asegurar un diseño
de uniones que satisfaga las condiciones
condiciones de servicio.
servicio.
306
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Las uniones mediante pernos roscados pueden estar sometidas a todo tipo de
estados de carga. Sobe el bulón, las cargas que actúan son fundamentalmente
axiales y transversales. Las cargas axiales provienen de la precarga que se
somete el elemento al ser montado y es modificada por las solicitaciones
externas en servicio. La precarga es la fuerza de tracción en el vástago del
tornillo que mantiene
mantiene las partes un
unidas
idas por compresión.
Las cargas trasversales Fr son trasmitidas por la estructura cuando la fuerza de
fricción generada por las carga de unión no es suficiente. En este caso el
vástago del tornillo debe soportar la parte de las cargas trasversales de la
estructura, no soportadas por la fricción del la unión. En general las fuerzas de
unión compresivas generadas en las partes a unir deben ser suficientemente
grades como para que las cargas trasversales o de corte sean escasas o nulas. La
fuerza neta de compresión entre las partes unidas es la diferencia entre la
precarga de los bulones
bulones F1 y la carga
carga Fa aplicada a la unión
unión (Figura 8.6).
󰁆󰀱
󰁆󰀰
Figura 8.6 Diagrama de cargas actuantes en una unión abulonada
El enfoque clásico para el cálculo de las uniones abulonadas se basa en la
determinación de las cargas axiales puras sobre el bulón como consecuencia de
las solicitaciones externas y la precarga. En muchas aplicaciones, como en
bridas, placas de unión de estructuras, unión de perfiles o anclajes al piso, la
deformación de las partes a unir hace que la carga soportada por los bulones
nos sea perfectamente axial, sino que aparezcan componentes de flexión
importantes. Esto
Esto hace que llas
as tensiones en el vástago sean mayores que las
las
que se obtienen mediante el enfoque clásico. Cuando aparecen solicitaciones
excéntricas puede aparecer fatiga o sobrecarga
sobrecarga en el radio de la cabeza del
bulón más que en los filetes más solicitados de la tuerca o el perno.
Durante el proceso de apriete (pretensado) de la unión, el perno sufre un
alargamiento al tiempo que las partes que son sujetadas se comprimen. La
relación entre la deformación del perno y la deformación de las partes unidas
307
Análisis de fallas – Fundamentos
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suelo está dada por la relación de sus respectivas rigideces. Después, cuando se
aplica la fuerza operativa a la conexión, la carga de las partes unidas se reduce y
la carga del tornillo de conexión se incrementa.
A los efectos de determinar la
la carga que soporte el bulón
bulón en servicio se utiliza el
diagrama de cargas del montaje (Figura 8.7). El diagrama de cargas del montaje
se
construye
los unidas.
valores de precarga inicial del bulón Fo y las rigideces del
bulón
y de lascon
partes
Figura 8.7 Diagrama de cargas de cargas del montaje de una unión abulonada
donde:
F0=precarga inicial del bulón
L1=elongación del bulón bajo la precarga inicial
∆L2=elongación de la longitud de las partes unidas (compresión) bajo la acción
de las precarga inicial
c1=tgψ1 =constante de rigidez del bulón
c2=tgψ2 = constante de rigidez de las partes unidas
Fa= carga operacional aplicada a la unión
DF1 = incremento de la carga axial del bulón
DF2 = disminución de la carga de unión entre las partes
F1 = carga resultante en el bulón después de aplicada la carga operativa
F2 = carga residual de unión de las partes después de aplicada la carga operativa
Cuando las cargas operativas son variables, en el bulón también se inducen
cargas variables (Figura 8.8), lo que puede dar lugar a falla por fatiga. Los
bulones o tornillos pueden fallar de diferentes maneras. La Tabla 8.6 resume los
modos de falla de las uniones abullonadas sus causas y consecuencias.
308
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.8 Aplicación del diagrama de cargas de cargas del montaje de una unión
abulonada para cargas variables (MIT)
Modo de falla
Fallas de los hilos de
rosca en el perno
Falla en el vástago del
perno
Perdida de la precarga
Fractura de la cabeza del
bulón, o tuerca fracturada
Desgarro de los hilos de
la rosca, externa o interna
Pérdida de precarga con
el tiempo
Agrupamiento de los
filetes de rosca durante el
armado/desarmado
Falla prematura por fatiga
Deformación de las
superficies de apoyo
untas indentadas en las
superficies de unión
Causa de la falla
Baja calidad del material
Corrosión
Fatiga
Baja calidad del material
Sobrecarga operativa
Sobre torqueado
Sub torqueado
Vibraciones
Excesiva precarga
Excesivo juego entre
roscas
Diferencia de resistencia
entre materiales bulóntuerca
Sobrecargas eventuales
mayores a la precarga
Insuficiente precarga
Poca calidad de las
arandelas, indentación de
la arandela
Corrosión
Paso muy fino para la
aplicación
Incorrecta combinación de
materiales bulón/tuerca
Poca precarga.
Excesivas cargas variables
operativas.
Exceso de precarga
Posible efecto sobre la
unión
Eventual falla frente a una
sobrecarga
Posibilidad de falla
catastrófica de la unión
Pérdidas en las juntas
Falla instantánea durante
el armado
Reducción de la resistencia
máxima de la unión
Eventual falla
Perdida de estanqueidad
de las uniones
Aparición de cargas de
corte en el tornillo
Posibilidad de fatiga en el
bulón
Imposibilidad de desarme
y reutilización de los
bulones
Posibilidad de falla
catastrófica de la unión
Fallas por flexión en la
cabeza del bulón
Posibilidad de pérdidas en
la unión
Exceso de precarga
Tabla 8.6 Modos de falla de las uniones abulonadas
309
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Como se ha visto, uno de los motivos de falla más frecuente es una insuficiente
o un exceso en la precarga. Existen diferentes métodos para realizar el apriete
de las uniones abulonadas, cada uno de los cuales tiene un grado de dispersión
en los resultados que van del 5 al 35 % de acuerdo método.
Hay básicamente seis principales métodos utilizados para controlar la precarga
de un sujetador roscado:
1.- Apriete por control de par, poco preciso pero de gran practicidad y
extensamente usado.
2.- Control de ángulo de apriete, mejor precisión, no se necesita instrumental
sofisticado para asegurar un apriete adecuado.
3.- Apriete por control de fluencia, muy preciso pero se requiere
instrumentación muy sofisticada para detectar la pérdida de linealidad del
material.
4.- Control de la elongación del perno, muy preciso y de fácil implementación.
5.- Por contracción térmica, engorrosa y muy lenta en su aplicación.
6.- El uso de métodos que aplican deformación comandado por carga al
vástago, métodos hidráulicos que dependen de la precisión del equipamiento y
susceptibles
en la elección
de con
los actuadores.
La resistenciadedeerrores
los bulones
fabricados
acero al carbono está identificada
por símbolos indentados sobre las superficies de apoyo de las tuercas y sobre
las cabezas o sobre los laterales de los bulones (Figura
( Figura 8.9).
Figura 8.9 Identificación de la calidad del material de los bulones y tuercas. El primer
número indica la resistencia en Mpa/100 y el segun
segundo
do la relación entre el límite elástico
y la rotura del material/100
310
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.10 Fractura por fatiga (izquierda) y por sobrecarga dúctil de un perno roscado.
Nótese las marcas de progreso de la fractura por fatiga y la gran deformación plástica
asociada en la falla por sobrecarga
EJEMPLO 8.E
Falla de un bulón tipo Allen de sujeción de pistón de compresor
Se produjo la rotura de de un perno roscado tipo Allen de la fijación de cabeza
de pistón
del compresor
comp
resora de
etileno,
una planta
de rosca
producción
producc
ión de EPE.
El
perno
roscado
se cortó
la altura
deleennprimer
filete de
tensionado
(Figura
8.E1). La rotura
rotura del perno roscado produjo el desprendimiento del mismo, el
que se salió del alojamiento
alojamiento en la tapa del pistón y quedó alojado
alojado en el espacio
nocivo del cilindro.
cilindro. Se produjeron daños
daños en el pistón y tapa de cilindro.
Figura 8.E1 Esquema del pistón, cuerpo inferior y tapa.
Se indica la posición del perno fallado
311
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 8.E2 Perno fallado, superficie de fractura
El perno fallado, junto con otros ocho, forma parte de la sujeción de la tapa del
pistón, que va sujetada al cuerpo inferior del pistón. Entre la tapa y el cuerpo
inferior está sostenido el soporte de aros. La tapa del pistón también conforma
la ranura para el primer aro de compresión.
Estos bulones deben soportar las cargas dinámicas de la cabeza del pistón y del
cuerpo de aros y también las fuerzas de fricción de los aros en la carrera
descendente. La acción de la presión del gas sobre la cabeza del pistón se halla
ecualizada por un orificio que comunica la cámara de compresión con la parte
interior del pistón debajo de la tapa.
El perno fallado es un perno Allen (socket head bolt) de 16 mm paso 2, grado
12.9, que corresponde a un tornillo de alta resistencia con una resistencia de
1200 Mpa de rotura y fluencia del 90 % de rotura. En todos los pernos usados
se encontró que la geometría del filete de rosca es deficiente, en especial en el
fondo de rosca
s e puede
se
ver una superficie
rugosa
de aspecto
desgarrado
proveniente
de donde
un proceso
de laminación
de la rosca
defectuoso
(Figura
8.E4).
Por otro lado pernos
pernos de la calidad especificada
especificada tienen una terminación
geométrica y superficial impecable (Figura 8.E5).
8.E5).
La fractura es del tipo instantáneo, sin marcas de playa y aparentemente del tipo
dúctil, y se produjo por excesiva precarga y una posible desalienación de plano
de apoyo de la cabeza del tornillo. Se recomendó revisar el procedimiento de
montaje y torque aplicado, no rehusar los tornillos de grado 12.9, calibrar los
taquímetros manuales y asegurar una correcta lubricación de todo antes de
apretar.
312
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.E4 Geometría y
terminación superficial deficiente
de un tornillo usado
Figura 8.E5 Geometría y terminación
superficial del tornillo nuevo
8.7 Fallas características en turbo máquinas
Introducción
Una turbo máquina es una máquina que maneja fluidos en forma continua,
cuyo elemento principal es un rotor a través del cual pasa el mismo
prediciéndose un intercambio de energía entre la máquina y el fluido
(Figura8.11). Este intercambio puede darse de la máquina al fluido o en sentido
inverso. El primero es el caso de las bombas en las que el fluido logra una
mayor velocidad o presión al atravesar la máquina. El segundo caso es el de los
generadores de energía, como las turbinas de vapor, gas, eólicas o hidráulicas.
Las turbo máquinas ocupan un lugar importante en las industrias de proceso y
de energía, y se dedica mucho esfuerzo en reducir los tiempos de
mantenimiento y reparación.
Figura 8.11 Cuadro clasificatorio de máquinas rotantes
313
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Tabla 8.7 Clasificación de la turbinas de vapor según la presión y
temperatura de trabajo
Turbinas de vapor
Antes de la primera guerra, las turbinas de vapor trabajaban con presiones del
orden
de 1.5
Mpa y temperaturas
inferiores a 350ºC.
Posteriormente,
las
presiones
y temperaturas
fueron aumentando,
favorecido
el diseño por
utilización de aceros de alta aleación, mejorando notablemente el rendimiento.
Con la implementación de los aceros austeníticos se llega a trabajar a
temperaturas muy superiores a los 500ºC y presiones mayores a los 35 MPa.
(Tabla 8.7). La búsqueda de mayores rendimientos y la utilización de turbinas
de vapor en ciclos combinados irán incrementado estos valores en el futuro.
Fallas en turbinas de vapor
Las turbinas de vapor tienen una potencia específica muy elevada, unas diez
veces mayor que los motores diesel y con un rendimiento global del orden del
35% o más. La fiabilidad ha ido creciendo constantemente, al mismo tiempo
que se han reducido en tamaño y su potencia específica ha aumentado. El costo
específico de instalación disminuye con el aumento de la potencia de la unidad
y el rendimiento aumenta con la temperatura del vapor utilizado.
La construcción de las turbinas de vapor es muy robusta, ya que generalmente
son instalaciones fijas. La carcasa y el rotor son las partes más pesadas y están
solicitadas a grandes tensiones térmicas y mecánicas. El rotor generalmente está
formado a partir de un solo bloque de acero al carbono forjado, aunque en
algunos casos está constituido por partes soldadas. Los álabes del rotor están
alojados individualmente o por sectores en el eje.
La carcasa puede estar formada por diferentes pates de acero soldadas y/o
fundidas, y ejecutada en dos mitades que se unen en el plano medio
permitiendo el armado de todos los componentes. El estator de la máquina de
314
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
vapor está constituido por discos de álabes que se alojan en la carcasa. Los
mecanismos de fallas más comunes en turbinas de vapor se resumen en la Tabla
8.8.
Mecanismo de
daño
Zona
afectada
Álabes
Causas
Vibraciones por desequilibrio del fluido de
admisión
Acumulación de depósitos
Desgaste o rotura de elementos
amortiguadores
Fatiga
Creep o fatiga
térmica
Eje del
rotor
Desequilibrios dinámicos
Daño mecánico, pitting o corrosión que
actúa como iniciador
Cojinetes
Sobrecarga mecánica o térmica
Álabes
Límite de horas en servicio
Elevado número de paradas y puesta en
marcha
Caja de
válvulas
Álabes
Erosión
Eje del
rotor
Apoyos de
Degradación
térmica del
material
cojinetes
Alabes
Carcasa o
volutas
Titulo bajo del vapor, erosión por impacto
de gotas
Restos abrasivos arrastrados por el vapor
Deficiencia de lubricación
Contaminación
dellalubricante
Temperatura
por sobre
capacidad del
material, típico en upgrading de potencia o
en adaptaciones en ciclo combinado
Corrosión en caliente
Cambio de tamaño de grano por alta
temperatura
Tabla 8.8 Mecanismos de fallas en turbina de vapor
315
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
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EJEMPLO 8.F Falla detectada en el rotor de una turbina de vapor
En la zona del sello laberíntico de alta presión se detectaron fisuras que podrían
poner en peligro la integridad del rotor en servicio (Figuras 8.F1 y 8.F2).
Figura 8.F1 Fisuras en el sello de alta presión del eje
Figura 8.F2 Detalle de las fisuras en el sello de alta presión del eje
Como puede observarse, las fisuras abarcaban el fondo de las ranuras y no se
propagaban a las pestañas. Esto se
s e debía a que las mismas habían sido reparadas
mediante soldadura sin la debida penetración en el material en el fondo de las
ranuras.
Las técnicas metalográficas determinaron que las fisuras propagaban por
corrosión fatiga con acumulación de los productos de la corrosión en el fondo
de la fisuras.
316
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Establecido el tamaño de las fisuras mediante END, se calcularon las tensiones
debidas a efectos dinámicos y térmicos en los transitorios de arranque y parada.
Se determinó que el tamaño actual de las fisuras no representaba un peligro
para la integridad del eje y se calculó la velocidad de propagación. Con estos
datos se recomendó continuar con la operación y se estableció una frecuencia
segura de inspección.
Figura 8.F3 Modelado de las tensiones térmica en los transitorios de arranque
Turbinas de gas
Las turbinas de gas tienen una elevada relación peso-potencia, una velocidad de
giro elevada y generan gases de elevada entalpia. Se utilizan para uso directo
para propulsión y son aptas pare arrastrar todo tipo de máquina rotativa,
acopladas en forma directa o a través de una rueda accionada por los gases de
escape llamada rueda libre (Figura 8.12).
317
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 8.12 Accionamiento directo y de rueda libre o doble eje
Las turbinas de gas trabajan con temperaturas de combustión del orden de
2000ºC, mientras que la máxima temperatura soportable por los álabes de la es
de 1300ºC. La combustión se realiza con un exceso de aire en una proporción
variable de 60 al 100 a 1. Existen y están en desarrollo diseños de quemadores
que disminuyen la temperatura de la llama para reducir las emisiones de óxido
nitroso y otros contaminantes.
Los materiales utilizados en los álabes de los difusores o estatóricos y de los
álabes de rotor, así como las cámaras de combustión, deben ser aptos para
resistir altas temperaturas, tener resistencia al Creep a alta temperatura,
resistencia a la corrosión y a la fatiga y estabilidad de fases metalográficas
(Figura 8.13), que los hacen aptos para estas aplicaciones. Estos materiales son
conocidos como Súper-aleaciones y se ha desarrollado una gran cantidad bajo
nombres de propiedad comercial. Los mismos tiene fases de precipitación por
tratamiento térmico, Fase ϓ que aporta resistencia la Creep, dureza a altas
temperaturas. Estas fases continúan la trasformación de envejecimiento en
servicio, degradando las propiedades mecánicas del material.
318
Capítulo 8: Mecanismos de daño y falla en maquinarias
Figura 8.13 Estructura metalográfica de una súper aleación. Sus características le
confieren estabilidad a alta temperatura
El diseño de los álabes, cámaras de combustión y piezas de transición se realiza
de manera que estas partes sean refrigeradas por aire fresco y se recubren
mediante revestimientos de barrera térmica (TBC o Thermal Barrier Coating),
los que a su vez protegen de la corrosión. La falla catastrófica de álabes es la
causante de casi la mitad de las paradas forzosas de las turbinas de gas. La Tabla
8.9 resume los modos de falla de los elementos de las turbinas de gas y sus
causas.
Figura 8.14 Pit de corrosión superficial, causa de falla por fatiga en un álabe
319
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
TIPO DE FALLA
ORIGEN
Fatiga térmica en alabes
Fatiga térmica o mecánica en
ejes de rotor, carcasa
Corrosión superficial – pits
Ciclos de arranque- parada
Paradas de emergencia ( ESDs)
Temperatura de combustión
Creep en alabes y cámaras de
combustión
Degradación prematura de
Coatings/Material base de
álabes
Fatiga de alto ciclo en alabes
Distorsión térmica de la
carcasa
Flujodedelarefrigeración/
Pedida
barrera térmicaBloqueo
/ erosión
Oxidación-Temperatura
Corrosión, Pitting
Ataque del medio
Vibraciones, concentradores de tensión
Fretting /Galling: en la base, Pinitos
Excentricidad del Stack up (serie de discos del
rotor)
Huelgo del Tip inadecuado
Calentamiento o enfriamiento no uniforme
Expansión térmica restringida
Excesivas paradas de emergencia o insuficiente
Cool-Down
Tabla 8.9 Causa de fallas en turbinas a gas
BIBLIOGRAFÍA
1. Failure Analysis and Prevention, ASM Handbook, Vol. 11.
2. Fatigue and Fracture, ASM Handbook, Vol. 19.
3. Anton Van Beek, Advanced Engineering Design, Lifetime
Performance and Reliability, 2012.
4. ASTM A370 – 12 Standard Test Methods and Definitions for
Mechanical Testing of Steel Products. American Standards for Testing
of Materials.
5. ASTM
E647 – 11e1 Standard Test Method for Measurement of
Fatigue Crack Growth Rates. American Standards for Testing of
Materials.
6. D. Broek: “Elementary Engineering Fracture Mechanics”. Kluwer Ed.,
1982.
7. Cause and Effect Assessment after a Complex Failure of a Large
Ethylene Compressor, P.G. Fazzini, A. A. Márquez, J. L. Otegui, P.
Barcia. Eng. Failure Analysis, ISSN1350-6307. V. 13. Pp. 1358-1369,
2006.
8. Draft API RP 585: “Equipment Failure Investigation”. American
Petroleum Institute, 2012.
9. T. L. Andreson: “Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications,
2nd Edition”, CRC Press. 1994.
320
CAPÍTULO 9
MITIGACIÓN Y EXTENSIÓN DE VIDA FRENTE A
FALLAS EN SERVICIO
9.1 Introducción y perspectiva histórica
9.2 Análisis de modos
modos y efectos de falla (FMEA)
9.3 Procedimientos de evaluación de aptitud para el servicio
s ervicio
9.4 Evaluación de Pérdidas de Espesor general y local
9.5 Evaluación de discontinuidades
discontinuidades geométricas y fisuras
9.6 El criterio Leak Before Break para componentes a presión
9.7 Monitoreo del daño y de los esfuerzos durante el servicio
9.8 Ensayos de resistencia mediante indentación instrumentada
9.9 Monitoreo de máquinas
9.10Estimación de vida remanente frente a mecanismos de daño
EJEMPLO 9.A Predicción de vida a la fatiga en oleoducto
BIBLIOGRAFÍA
9.1 Introducción y perspectiva histórica
La extensión de la vida útil de instalaciones industriales es hoy una tecnología
clave para muchos países que se están embarcados en un proceso de
integración y recuperación económica e industrial. La importancia de las
tecnologías asociadas al aseguramiento de la integridad estructural y extensión
de vida útil está definida por el grado de confiabilidad en que se encuentran
muchos componentes de las plantas industriales, centrales de generación
eléctrica y estructuras civiles.
La
Figura 9.1 muestra
una curva típica
que de
relaciona
costo de
mantenimiento
de un determinado
equipo(línea
con llena)
su tiempo
vida eneloperación.
En vez de costo, el eje vertical puede representar otras variables correlativas
tales como riesgos de accidentes, fallas de funcionamiento, etc. Esta curva
indica que cuando un sistema o estructura es instalado
instalado e inicia su operación,
ocurren altos costos de mantenimiento para la corrección de
no-conformidades, fallas de proyecto, componentes defectuosos, etc. Después
de este estado inicial se desarrolla un segundo estadio donde los costos son
sensiblemente más bajos porque, en principio, los problemas iniciales han sido
resueltos. Este estado inicial puede no ocurrir, si se trata de componentes de
producción masiva que cuentan con un diseño muy depurado por la experiencia
y se han sometido a ensayos no destructivos pre-operativos.
321
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Costo de fallas
“prototipo”
extensión
de vida
Diseño
y ensayos
Tiempo
Figura 9.1 "Curva de la bañera": costos de mantenimiento
con el tiempo de vida en operación
A partir de un cierto instante, comienza el tercer estado, donde nuevos
problemas surgen, ahora motivados por el "envejecimiento" de los diversos
componentes.
el instante
en quesulos
costos (o losy
riesgos)
se vuelven
vuelEste
ven estadio
tan elevados
elevprogresa
ados quehasta
la estructura
estructu
ra pierde
funcionalidad
debe desactivarse.
El análisis gerencial de la curva de la bañera indica qué acciones deben tomarse
con el objetivo de disminuir costos (o riesgos) en todas las fases de la vida de la
estructura. Estas acciones incluyen reducir la fase de envejecimiento y extender
la vida útil del componente. La eliminación de la tercera fase está asociada a la
detección del estado de envejecimiento real de la estructura, que se hace a
través de programas de evaluación
evaluación de integridad y extensión de vida. Se
procura llevar los costos por la curva de puntos, según se indica al extremo
derecho de la Figura 9.1. Los pequeños picos de costo en el final de la vida
están asociados al envejecimiento de los componentes, sus substituciones,
recuperaciones
acabarádesaliendo
quede obsoleta yenrefuerzos.
relación aLa
lasestructura
nuevas técnicas
proyectodey operación
operación,cuando
donde
entonces no valdrá la pena extender su vida.
El proceso de acompañamiento sistemático del envejecimiento de una
estructura y de las acciones tomadas durante su uso, para que su vida pueda
extenderse de manera progresiva y a un bajo costo, es llamado Gestión de Vida
Remanente (GVR). La GVR se ha mostrado como la mejor alternativa para
aumentar la disponibilidad, flexibilidad y confiabilidad de corto y mediano
plazo de los equipamientos industriales. Asimismo es la mejor alternativa para
aumentar las posibilidades de extensión de vida en el largo plazo. La GVR
depende fundamentalmente de la inspección y monitoreo de las condiciones
reales de daño en que se encuentran los componentes.
322
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Los equipos industriales deben someterse a inspecciones periódicas para
determinar si cumplen con las especificaciones de los códigos de fabricación.
Pero las inspecciones permiten, además y sobre todo, establecer la tasa de
acumulación de daño, la cual permite definir nuevos períodos de inspección.
El objetivo de un programa de inspección es asegurar la integridad de los
equipamientos,
mediante
el óptimo
aprovechamiento
los recursos.
De esta
manera,
se logra
garantizar
la seguridad
de la de
planta,
el período
de
funcionamiento sin paradas puede extenderse, la velocidad de deterioro puede
reducirse en algunos casos y las futuras necesidades de reparación o reemplazo
pueden estimarse.
Un programa de inspección eficiente debe ser capaz de definir y realizar
aquellas actividades necesarias para detectar el deterioro en servicio de los
equipos antes de que se produzcan las fallas. El programa de inspección debe
sistemáticamente identificar:
•
•
•
•
¿Qué tipo de daño se produce?
¿Dónde debe detectarse?
¿Cómo puede detectarse (Técnicas de Inspección)?
¿Cuándo o con qué frecuencia debe inspeccionarse?
No necesariamente el Plan de Inspección debe llevarse a cabo por el encargado
de realizar las actividades de inspección. Para la confección del Plan, resulta
necesaria una exhaustiva búsqueda de información acerca de los procesos de la
planta, características del equipamiento, presiones y temperaturas de operación
y del historial de fallas e inspecciones de cada equipo. En particular se deberá
investigar y analizar la información referente a:
•
•
Diseño y Fabricación
Operación y Servicio
•
Historial de Inspección y Fallas
9.2 Análisis de modos y efectos de falla (FMEA)
Históricamente, los ingenieros han hecho un buen trabajo en la fase del diseño,
al evaluar las funciones y la forma de productos y de procesos. No siempre han
hecho tan bien las cosas al diseñar en confiabilidad y calidad. El análisis de los
modos y efectos de falla (Failure Mode and Effect Assessment, FMEA) es una
metodología para analizar problemas potenciales de confiabilidad, temprano en
el ciclo de desarrollo, donde es más fácil tomar acciones para superar estas
condiciones. FMEA se utiliza para identificar modos de falla potenciales, para
determinar su efecto sobre la operación y el producto, y para identificar
acciones para atenuar las faltas.
323
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La intención es identificar las áreas o ensambles que más probablemente den
lugar a fallas del conjunto. El FMEA define la función
f unción como la tarea que realiza
un componente. Por ejemplo, la función de una válvula es abrir y cerrar, y los
modos de falla son las formas en las que el componente puede fallar (la válvula
fallará en la apertura si se rompe su resorte, atascarse en su guía o mantenerse
abierta debido a una rotura en el árbol de levas, etc.). La técnica consiste en
evaluar tres aspectos del sistema y su operación:
anticipadas de operación
operación y falla más probables.
probables.
• Condiciones anticipadas
• Efecto de la falla en el rendimiento del equipo.
• Severidad de la falla en el mecanismo.
La probabilidad de fallas se evalúa generalmente en una escala de 1 a 10, con la
criticidad aumentando con el valor del número. Esta técnica es útil para evaluar
soluciones alternativas a un problema pero no es fácil de usar con precisión en
nuevos diseños.
Un paso crucial es anticipar qué podría ir mal (what if?). El equipo de desarrollo
debe formular una lista tan extensa como sea posible de los modos de falla
potenciales. FMEA captura la información histórica para el uso en la mejora
futura del producto.
producto. Hay varios
varios tipos de FMEA, algunos
algunos se utilizan más a
menudo que otros. Un FMEA debe hacerse siempre que una falla signifique
daño o lesión potencial al usuario. Los FMEA pueden hacer foco en funciones
globales del sistema, en algunos componentes y subsistemas, en procesos de la
fabricación y de ensamblaje, o en funciones de servicio o software.
Los cambios en un proceso introducen a menudo nuevos modos de falla. Las
ventajas del FMEA incluyen la mejora de la confiabilidad y la calidad del
producto o proceso, la satisfacción de cliente, la identificación y eliminación
eliminación
tempranas de modos de falla potenciales, la captura del conocimiento en la
organización, reduce cambios y costos asociados, y cataliza el intercambio
técnico y el trabajo en equipo.
Los pasos básicos en el proceso para conducir un FME
FMEA
A incluyen:
1.
Describir el producto/proceso y su función.
2.
Crear un diagrama de bloques, del producto o proceso. Este diagrama
muestra componentes importantes o pasos del proceso como bloques
conectados por líneas que indican cómo los componentes o los pasos
están relacionados. El diagrama muestra las relaciones lógicas de
componentes y establece una estructura alrededor de la cual se desarrolla
el FMEA.
3.
Utilizar el diagrama para definir artículos o funciones. Si los artículos
son componentes, se enumeran de una manera lógica dentro de un
subsistema basado en el diagrama de bloques.
4. manera
Identificar
Modos
Falla. Un modo
de falla se un
define
como un
la
en laloscual
un de
componente,
un subsistema,
sistema,
324
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
proceso, etc. podrían potencialmente no cumplir con lo previsto en su
diseño. Ya hemos visto en los Capítulos 4 y 8 una gran variedad de
ejemplos de modos de falla. Un modo de falla en un componente puede
servir como causa de una falla en otro componente. Cada falta se debe
enumerar en términos técnicos, para cada paso del proceso. Analizar las
fallas que se han documentado para productos o procesos similares es un
de partida
excelente.
5. punto
Describir
los efectos
de esos modos de falla. Para cada modo de falla
identificado debe determinarse cuál será el último efecto. Un efecto de la
falla se define en la función del producto o proceso, según es percibido
por el cliente (interno o externo). Ejemplos de los efectos de la falla
incluyen lesión al usuario, inoperatividad del producto o proceso,
funcionamiento o aspecto incorrecto,
incorrecto, olores, ruido, etc.
6.
Establecer una graduación numérica para la severidad del efecto. Una
escala estándar de la industria utiliza 1 para representar ningún efecto y
10 para indicar uno muy
muy severo,
severo, por ejemplo
ejemplo una
una falla sin advertencia
que afecta tanto la operación como la seguridad. Esta graduación ayuda al
analista a determinar si una falla sería un fastidio de menor importancia o
una ocurrencia catastrófica, y permite dar prioridad a las fallas y tratar las
graves primero.
7. más
Identificar
las causas para cada modo de falla, de acuerdo a las
herramientas RCA que hemos visto
visto en el Capítulo
Capítulo 7.
7. Las causas
causas
potenciales para cada modo de falla deben identificarse y documentarse.
Las causas se deben enumerar en términos técnicos y no en términos de
síntomas. Ejemplos de causas potenciales son: esfuerzos o condiciones
incorrectos de funcionamiento, contaminación, algoritmos erróneos,
alineación incorrecta, voltaje excesivo, etc.
8.
Incorporar un factor de probabilidad. Se debe asignar un peso
numérico a cada causa, que indique la probabilidad de que la causa
ocurra. Una escala estándar utiliza 1 para representar no probable y 10
para indicar inevitable.
9.
Identificar los controles actuales (de diseño o proceso). Estos son los
mecanismos que evitan que ocurra la causa del modo de falla o aseguran
que la falla sea detectada antes de que alcance al cliente (barreras, según
fueron definidas en el Capítulo 7).
10. Determinar la probabilidad de detección por parte de los controles
actuales, evitando así que alcance al cliente.
11. Definir el Risk Priority Number (RPN). El RPN es el producto de los
grados numéricos de severidad, probabilidad y detección. El RPN se
utiliza para dar prioridad a las acciones.
RPN= (Severidad) x (Probabilidad) x (Detección)
12.
Determinar Acciones Recomendadas para tratar las fallas potenciales
que tienen un RPN alto. Estas acciones pueden incluir: procedimientos
de inspección, de prueba o de calidad, selección de componentes o
325
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
materiales, reducción de la capacidad normal, limitación de tensiones o
del rango de operación, reajuste del artículo para evitar el modo de falla,
supervisión de mecanismos, ejecución de mantenimiento preventivo, e
inclusión de sistemas de repuesto o de redundancia.
13. Asignar responsabilidades y fechas de terminación para estas acciones.
Esto facilita el seguimiento.
14. acciones,
Indicar valorar
las acciones
tomadas.
Despuésladeprobabilidad
que se hayan
estasy
de nuevo
la severidad,
y latomado
detección
repasar el RPN revisado. ¿Se requiere cualquier otra acción?
15. Poner al día el FMEA con los cambios en el diseño o proceso, y la
nueva información.
El FMEA es útil también para evaluar si hay un número innecesario de
componentes en un sistema, puesto que la interacción de un ensamble con otro
multiplica los efectos de una falla. Es igualmente útil para analizar el producto y
el equipo que se utiliza para producirlo. Ayuda también a eliminar debilidades o
complicaciones excesivas del diseño y a identificar los componentes que
pueden fallar con mayor probabilidad.
9.3 Procedimientos de evaluación de aptitud para el servicio
Los códigos de evaluación de aptitud de componentes en plantas industriales se
crearon originalmente bajo el auspicio de los operadores de las centrales
nucleares. La mayoría de los códigos de diseño no tratan la degradación en
servicio de los equipamientos y no tienen en cuenta que las deficiencias
provenientes de la fabricación o de su operación pueden detectarse durante las
inspecciones.
La publicación en varias áreas de la tecnología de normas y prácticas
recomendadas surge como resultado de la necesidad de estandarizar las técnicas
de evaluación de la aptitud para el servicio en componentes mecánicos. La
evaluación de la aptitud para el servicio se define como la habilidad de
demostrar la integridad estructural de componentes que se encuentran en
servicio y que, por efecto de su operación, contienen un cierto grado de daño.
Los objetivos fundamentales de su aplicación son:
•
•
•
verificar la seguridad del personal a medida que las plantas se tornan más
antiguas y continúan operando,
proveer procedimientos de aptitud para el servicio claros y técnicamente
justificados para asegurar que distintos proveedores del servicio realicen
predicciones consistentes, y
ayudar a optimizar el mantenimiento y operación de las plantas.
Mencionamos
en elutilizado
Capítuloen
6 allaprocedimiento
desarrollado
porindustria
CEGB
R6, originalmente
evaluación de FAD
componentes
en la
326
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
nuclear. Ha estado en continuo desarrollo durante dos décadas, y ha dado lugar
a evoluciones
evoluciones que hoy forman parte de Normas europeas
europeas y americanas.
americanas. La
ecuación del FAD (Figura 6.7) da lugar al método del Logaritmo de la Secante,
utilizado en Norteamérica, y al Método CDF (Crack Driving Force), definido
en el código europeo SINTAP (Structural Integrity Assessment Procedure). Los
cálculos se hacen sobre la base del parámetro K efectivo aplicado que, como
vimos
el Capítulo
caracteriza
vértice en
de una
fisura o 6,
fisura
defecto
agudo.el estado de tensión y deformación en el
El método FAD es también utilizado en la norma inglesa BS 7910, en la
Práctica Recomendada API 579 (de la que nos ocuparemos en cierto detalle), y
en procedimientos de EXXON, INSTA, y MPC. El método CDF es utilizado
en ETM y GE-EPRI (General Electric, Electric Power Research Institute,
USA). En estos documentos se proponen tres o más niveles de complejidad y
exactitud crecientes. Los diferentes niveles generan diferentes expresiones que
definen los FAD o CDF utilizados en el análisis. El nivel de análisis queda
determinado principalmente por el grado de detalle de los datos utilizados para
definir el comportamiento tensión-deformación (σ-ε) del material, y por la
confiabilidad de las estimaciones de las tensiones aplicadas y tamaños de
defectos presentes en el componente.
Por la extensión de su uso y sus aplicaciones haremos un resumen algo extenso
de la norma API STD 579: Fitness for Service, que está orientada a la
evaluación de cañerías y recipientes de presión. La norma API 579 provee guías
para conducir las evaluaciones FFS utilizando metodologías específicamente
preparadas para el equipamiento en la industria petroquímica y refinerías,
pudiendo también aplicarse a equipamientos de presión construidos por otros
códigos y estándares reconocidos.
La publicación se divide en 11 secciones, en las cuales se evalúan temas tales
como fractura frágil, pérdida de metal generalizada y localizada, picado,
ampollas, laminaciones, falta de alineación en soldaduras, distorsiones de
cuerpos de recipientes, defectos tipo fisura, Creep y daño por fuego. Los 9
apéndices incluyen ecuaciones de tensiones, presiones y espesores, soluciones
de factores de intensidad de tensiones, de tensiones de referencia y residuales,
tratamiento de propiedades de los materiales y descripciones de los diferentes
modos de falla y deterioro.
La evaluación de Aptitud para el Servicio (Fitness for Service, FFS) es una
técnica que evalúa si un equipo con defectos volumétricos o planos puede
continuar en servicio. La práctica recomendada utiliza el enfoque de 3 niveles
de evaluación que aumentan su complejidad de acuerdo con la cantidad de
información con la que se cuente. Cada nivel de evaluación provee un balance
entre el grado de conservatismo, la cantidad de información requerida para la
evaluación, la habilidad del personal que realiza la evaluación y la complejidad
del análisis.
327
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
•
El Nivel 1 es el más simple y conservador, requiere de pocos valores de
inspección y puede realizarse por personal de la empresa. Generalmente
este nivel considera los requerimientos establecidos por los códigos de
fabricación.
El Nivel 2 es menos conservativo que el anterior, requiere una detallada
inspección y revisión de los antecedentes de servicio y debe realizarse por
ingenieros
experiencia
en el uso
de detallada
estas herramientas.
El Nivel 3con
provee
la evaluación
más
y produce resultados más
precisos que el nivel anterior. Se requiere de inspección e información más
amplia y los análisis se basan en técnicas numéricas por lo que se requieren
especialistas en métodos de Elementos Finitos u otras herramientas
computacionales.
Los resultados obtenidos son utilizados para determinar:
1)
Si los defectos necesitan repararse inmediatamente
inmediatamente antes de continuar el
servicio
2) Si el equipo
equipo puede continuar
continuar operando
operando normalmente
normalmente con
con los defectos y
cuándo se requiere la próxima inspección (período de reinspección).
3) Si el equipo necesita ser reemplazado.
Cuanto más exactas sean las informaciones conseguidas en cada nivel, menos
necesidad se tendrá de pasar a un nivel siguiente. Además, el uso de niveles más
avanzados puede que no ofrezca beneficio significativo si los datos obtenidos
son inciertos. Es preferible asegurar la confiabilidad de los datos para trabajar
con un nivel más simple que avanzar a un nivel superior basándose en datos
poco confiables. En el caso en que se deba extender un análisis para un nivel
superior, se debe entender que los métodos adicionales de análisis del
comportamiento de la estructura se vuelven cada vez más rigurosos, más
exactos y más caros. A continuación se desarrollan algunas de las secciones de
API RP 579aplicables en la evaluación de defectos.
9.4 Evaluación de Pérdidas de Espesor general y local
La Sección 4 de API 579 se refiere a la evaluación de componentes
presurizados sujetos a pérdida de material por corrosión o erosión. La
evaluación de Nivel 1 se basa en conceptos de espesor promedio, del cual se
obtienen resultados confiables cuando se aplica a pérdidas de espesor
relativamente uniformes. Este criterio se basa en la teoría de que cuando los
componentes están sometidos a presión interna, las tensiones se redistribuyen
alrededor de los sitios más debilitados, si los mismos son lo suficientemente
pequeños.
328
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
La práctica API 579 establece criterios de evaluación que requieren una
cantidad de mediciones de espesor no inferior a 15. Asimismo, recomienda que
el espaciado entre mediciones (L) cumpla con la siguiente ecuación:
(
L = mínimo 2.t nom ; 0,36. D.t min
)
(9.1)
donde: L
= espacio recomendado entre mediciones
tnom
= espesor nominal del componente
D
= diámetro del componente
tmin
= espesor mínimo requerido por la norma
Para el cálculo del Coeficiente de Variación, deben utilizarse las siguientes
ecuaciones:

t sd
COV = 
 t am − FCA
t sd
 S
=  2
 N



(9.2)
1/2

 N 
2
 − (t am − FCA )  .

−
N
1




1/2
(9.3)
t am − FCA =
S1
N
(9.4)
n
S1 =
∑ (t
i
− FCA )
i =1
(9.5)
n
S2 =
2
t i − FCA )
(
∑
i =1
(9.6)
donde:
COV = coeficiente de Variación
FCA = pérdida de espesor esperada en el futuro (suponiendo que la velocidad
de acumulación de daño se mantendrá constante)
N = número de mediciones de espesor
tam= valor promedio
promedio de
de las mediciones
La forma de analizar los valores de espesor medidos se realiza en base a dos
criterios:medidos
por simple
promedio
de los espesores
medidos
y por
perfiles
de los
valores
en planos
definidos.
La utilización
de uno
u otro
criterio
se
329
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
establece por el grado de variación de las mediciones realizadas, a través de un
coeficiente denominado Coeficiente de Variación (COV). El COV está definido
por la desviación estándar de las mediciones dividido por el promedio de las
mismas.
El procedimiento establece criterios en función del COV, para definir la
aceptabilidad del
componente.
La Sección
5 sederefiere
a la localizada
evaluación por
de
componentes
presurizados
sujetos
a pérdida
material
corrosión/erosión y/o daño mecánico. Los tipos de defectos localizados se
definen de acuerdo con su geometría como se explica a continuación:
a) LTA: pérdida de espesor con contornos suaves y sin presencia de
entallas. El ancho y el largo son del mismo orden de magnitud.
b) Groove: marca alargada con remoción o recolocación del material. El
largo es considerablemente más grande que el ancho.
c) Gouge: ranura ó adelgazamiento alargado. Pérdida de espesor
significativamente más grande que el ancho del defecto.
La Sección 6 se refiere a la evaluación de componentes presurizados sujetos a
pérdida
material de
porpérdida
pitting.deEn
este contexto,
picadocaracterizarse
se define como
regiones de
localizadas
espesor,
las cualeselpueden
por
un diámetro de pit del orden del espesor de la placa o menor, y por una
profundidad menor que el espesor de la placa.
El Nivel 1 es una técnica simplificada de evaluación que no tiene en cuenta la
orientación de los pits alineados con respecto a la dirección de las tensiones
máximas. Por lo tanto, los resultados suelen ser conservativos. Es importante
remarcar que tanto la profundidad como el diámetro deben cuidadosamente
medirse debido a la variedad de los tipos de pits que pueden ocurrir en servicio.
La medida de daño utilizada en la aptitud para el servicio es el pit-couple (pareja
de pits) compuesta por dos pits separados por un ligamento sólido. La pérdida
de espesor de cada pit es modelada como un cilindro equivalente. Para definir
un pit-couple se requiere el diámetro y la profundidad de cada pit y la longitud
entre centros.
La ocurrencia de pits, su tamaño y disposición en el componente suele ser en la
práctica de tipo aleatorio. Por lo tanto el criterio del inspector resulta clave al
momento de
de tomar decisiones en cuanto
cuanto a la muestra poblacional
poblacional que
represente el daño en el componente. La Figura 9.2 muestra las mediciones que
son requeridas para llevar a cabo la evaluación.
330
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Figura 9.2 Parámetros requeridos para realizar la evaluación de los pits
Los pasos a seguir en la evaluación incluyen:
•
la determinación de los espesores requeridos por norma,
•
el
profundidades
(w), diámetros (d) y distancias (P) promedio
porcálculo
parejade
delas
pits,
y
la verificación contra los criterios de aptitud para el servicio.
•
9.5 Evaluación de discontinuidades geométricas y fisuras
Las recomendaciones de API RP 579 en la Sección 7 abarcan la evaluación de
ampollas y exfoliaduras paralelas a la superficie de la chapa o que tienen una
componente en el espesor. Las chapas utilizadas en la construcción de cañerías
y recipientes presentan “bandeado” o direccionamient
direccionamientoo de las inclusiones
inclusiones no
no
metálicas alargadas en forma paralela a la superficie. Cuando estas inclusiones se
hacen muy grandes dan lugar a las exfoliaduras o laminaciones, que son
defectos planos paralelos a la superficie del equipamiento, que en algunos casos
se encuentran levemente inclinadas. Una ampolla es similar a una laminación,
pero debido a la presión de algún gas atrapado en su interior (típicamente
hidrógeno ó metano) se hincha y se produce una protuberancia en alguna de las
superficies. Los parámetros necesarios para realizar la evaluación se encuentran
esquematizados en la Figura 9.3.
331
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 9.3 Parámetros requeridos para realizar la evaluación de las ampollas y
laminaciones
De acuerdo con el Nivel 1, la laminación o exfoliadura es aceptable
independientemente de su tamaño, si no existe probabilidad de que el
componente absorba hidrógeno en servicio, y la distancia a cualquier
discontinuidad
estructural mayor y a la soldadura longitudinal verifican las
siguientes
ecuaciones:
1) L msd ≥ 1,8. D.t nom
(9.7)
2) L sl ≥ máximo (25,4 mm; 2.t nom )
(9.8)
En el caso de ampollas, además de las ecuaciones citadas arriba, se deben
cumplir los siguientes requerimientos para ser consideradas como aceptables sin
reparación:
3) El diámetro de la ampolla es menor a 50,8 mm o 0,6.(D.tnom)1/2
4) La proyección de la ampolla Bp sobre la superficie es menor o igual al 10%
del diámetro de la ampolla.
5) El espesor mínimo medido (tmm) es mayor o igual a la mitad del espesor
nominal (tnom) de la placa.
6) No hay presencia de fisuras
fisuras periféricas
periféricas dirigidas
dirigidas hacia la superficie
superficie interior
interior
o exterior del componente.
Si el componente, con ampollas o exfoliaduras, no cumple con los
requerimientos de Nivel 1 de evaluación, la placa dañada puede ser reemplazada
ó reparada. En el caso de una ampolla, ésta puede ser removida por medio de
amolado con acuerdo suave. Una vez amolada, el defecto debería evaluarse de
acuerdo con los lineamientos de la Sección 5 como una reducción localizada de
sección.
332
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
La Sección 8 provee procedimientos para la evaluación de componentes
presurizados con irregularidades geométricas asociadas con desalineación de
soldaduras y distorsiones en cáscaras cilíndricas, cónicas y esféricas, y cabezales
formados. En general, si la geometría actual del componente es tal que los
requerimientos de fabricación originales se satisfacen, no se requiere una
evaluación. Las excepciones incluyen componentes que operan en servicio
cíclico o conuna
irregularidades
localizadas, como es el caso de una
indentación,
abolladura o geométricas
una protuberancia.
Los procedimientos de Nivel 1 se basan en los criterios de los códigos de
construcción originales. En las Tablas 8.3 a 8.7 de API RP 579 se encuentran
especificadas las tolerancias de fabricación permitidas por los códigos de
diseño, las cuales se resumen en la Tabla 9.1 para cañerías y recipientes
sometidos a presión.
Tabla 9.1 Tolerancias de Fabricación – Cañerías y Recipientes
333
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Los Niveles 2 proveen procedimientos computacionales para la evaluación de
las irregularidades
irregularidades descriptas en el comienzo
comienzo del apartado,
apartado, que no satisfacen llos
os
lineamientos del Nivel 1. De esta manera se pueden evaluar irregularidades
geométricas en componentes sujetos a presión y otras cargas suplementarias.
Los procedimientos para la evaluación de defectos planos o fisuras, incluidos en
la Sección 9 de API RP 579se basan en el método del Diagrama de Evaluación
de Falla (FAD)
ya explicado
en detalle
6, por
que a
continuación
se dará
una explicación
someraendeellaCapítulo
metodología.
Loslodefectos
planos se caracterizan predominantemente por una longitud y una profundidad
con una entalla aguda, pudiendo ser superficiales o internos en el espesor.
Como ejemplos se pueden mencionar fisuras, falta de fusión, falta de
penetración en soldaduras y fisuras por SCC.
En algunos casos es conservativo, y aconsejable, tratar a los defectos
volumétricos (tales como inclusiones o porosidades alineadas) como si fuesen
defectos planos, particularmente cuando pueden llegar a contener microfisuras
en la raíz. Para un Nivel 1 de evaluación, se le ha agregado conservatismo
suficiente al procedimiento para minimizar los requerimientos de datos. En
forma resumida se requieren los datos de diseño del equipo original, la historia
de
e historia operacional,
de losespecificadas
materiales (sólo
se mantenimiento
requieren las tensiones
de fluencia las
y propiedades
rotura mínimas
del
material) y la caracterización del defecto. En contraparte, el Nivel 1 se limita a
componentes cilíndricos ó esféricos con:
1. Relaciones D/t ≥ 10 y t < 38 mm.
2. Defectos en dirección axial o circunferencial, separado de toda
discontinuidad estructural por una distancia ≥ 1,8.(D/t)1/2
3. Cargas debidas
debidas sólo
sólo a presión que genera tensión de membrana
membrana menor
menor a la
de diseño.
4. Material de acero al carbono, con
con tensión admisible menor a 25 ksi, tensión
de fluencia menor a 40 ksi y mínima tensión de rotura para metal base y de
soldadura menor a 70 ksi.
5. Fractotenacidad mayor que el KIc de referencia (ASME sección XI).
De esta manera, el criterio se vuelve bastante restrictivo asegurando la
condición de Leak Before Break. Luego de definir las cargas y temperaturas de
operación, la temperatura crítica de exposición (CET) y la longitud y
profundidad del defecto, se debe determinar la Figura representativa del caso en
estudio y la curva de selección. Finalmente, se ingresa a la Figura 9.4 con la
temperatura de referencia y se determina la máxima longitud admisible del
defecto, el cual se compara con el defecto a evaluar.
334
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
200
A
175
B
) 150
m
m
( 125
c
2
100
C
75
A
50
B
25
C
0
0
10
20
30
40
50
60
7
70
0
8
80
0
9
90
0
100
110
(T - Tref + 55,6ºC)
A - Defecto localizado en metal base
B - Defecto localizado en metal de soldadura (con PWHT)
C - Defecto localizado en metal de soldadura (sin PWHT)
1/4-t (fisura superficial)
1-t (fisura pasante)
Curvas de Figura 9.4 Selección del Nivel 1 de Sección 9 API RP 579
Para la evaluación por el Nivel 2 de la Aptitud para el Servicio de componentes
que contienen fisuras o defectos planos asimilables a fisuras, las estimaciones
est imaciones de
fuerza impulsora de propagación de fisura y tensión equivalente de colapso
plástico son utilizadas en un FAD (Failure Assessment Diagram). La evaluación
del componente se basa luego en la ubicación relativa de un punto resultante
dependiente
del estado
y de la geometría. El FAD provisto por la API
RP 579 se presenta
en latensional
Figura 9.5.
335
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
11,5
Figura 9.5 FAD Nivel 2 de API RP 579 para distintos materiales
El eje de las ordenadas del FAD provee una indicación de la resistencia del
componente para fractura frágil, medida por la relación de intensidad de
tensiones para el componente:
Kr
(component e)
=
K APLICADO
K IC
(9.9)
donde KAPLICADO es el Factor de Intensidad de Tensiones nominal aplicado y
KIC es la tenacidad a la fractura del material. Por otro lado, el eje de las abscisas
evalúa
resistencia
del aplicada
componente
al colapso
plástico: L r se define como la
relaciónlaentre
la tensión
y la tensión
de colapso:
Lr
(component e)
=
σ
σC
(9.10)
Para evaluar la importancia de un defecto particular en un componente se
deben determinar los valores aplicados de K r y Lr, y verificar el punto sobre el
FAD. La fractura se prevé cuando KAPLICADO = KIc. Luego, un material frágil
fallará cuando Kr> 1 en el eje de las ordenadas. Si la tenacidad del material es
muy grande, el componente falla por colapso plástico cuando L r > 1 en el eje de
las abscisas. En casos intermedios, la fractura y el colapso interactúan y la curva
de
entrecurva
estos son
dos menores
modos deque
fallauno.
límites,
de los
tal modo
los evaluación
valores Kr interpola
y Lr de dicha
Todos
puntosque
de
336
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
evaluación que se sitúan dentro del FAD son considerados seguros, mientras
que los puntos que se encuentran fuera del diagrama son considerados
potencialmente inseguros.
Los datos típicos requeridos para realizar la evaluación incluyen:
••
•
•
Datos dede
diseño
del equipo eoriginal.
Historia
Mantenimiento
Historia de operación.
Propiedades de los Materiales.
Caracterización del defecto.
La exactitud de estos datos y condiciones de tensión determinarán la exactitud
de la evaluación por los procedimientos en esta sección. La opción de datos a
utilizar debe ser en todos los casos conservativa. En este estudio se hacen
suposiciones conservadoras al determinar la tenacidad y la tensión aplicada y
asimismo se utiliza el FAD Simplificado en el cual el diagrama es reemplazado
por límites máximos admisibles para la tensión y factor de intensidad de
tensiones, con el objeto de compensar las incertidumbres de la definición de la
geometría de los defectos en la inspección por Ensayos No Destructivos.
9.6 El criterio Leak Before Break para componentes a presión
La condición de “Leak Before Break” (LBB) o “pérdida antes que fractura” se
utiliza en el análisis de criticidad de defectos en cañerías y recipientes de presión
que contienen fluidos de toxicidad nula o baja. Si una fisura propagará en el
espesor de un recipiente antes de propagar catastróficamente en forma frágil o
rápida, las pérdidas de fluido permitirán detectar la falla e introducir las medidas
correctivas que impidan la subsiguiente propagación del defecto. Esta situación
se ejemplifica en la Figura 9.6.
Figura 9.6
LBB es la condición de operación (presión) tal que para cualquier defecto plano
o volumétrico se producirá una pérdida antes que la fractura. La determinación
de esta presión, complementada con inspecciones de detección de pérdidas,
permite establecer un límite seguro de operación para cañerías y recipientes de
presión respecto de los eventuales defectos.
337
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
La condición LBB depende de la tenacidad y tensión de fluencia del material, de
la longitud del defecto y de la presión interna en el tubo o recipiente. La Figura
9.7 muestra como ejemplo una predicción de falla por fractura (reventón)
utilizando la metodología “Corlas” para un gasoducto de 24” construido a
principios de los 60. La línea roja horizontal indica MAPO (presión de
operación), la curva azul separa fractura (parte superior) de LBB (parte
fisura tiene una longitud de 100 mm o menos, el ducto operando
ainferior).
MAPO Si
es laLBB.
Figura 9.7 Una predicción de falla por fractura (reventón)
utilizando la metodología “Corlas”
9.7 Monitoreo del daño y de los esfuerzos durante el servicio
Para la definición de un plan de inspección nos debemos preguntar:
•
•
•
•
¿Qué tipo de anomalía o defecto estamos buscando?
¿Con qué herramienta o metodología lo vamos a abordar?
¿Cuándo vamos a realizar la inspección?
¿Cómo vamos a actuar ante el hallazgo de defectos?
Las herramientas de inspección no destructiva (Non Destructive Testing,
NDT) para la detección de los diferentes mecanismos de daño son
ampliamente conocidas y su descripción excede los alcances de este libro.
Algunas se han mencionado en el Capítulo 2, cuando son utilizadas como parte
de la evaluación preliminar durante un análisis de falla.
Sin embargo, el desarrollo de nuevas tecnologías ha marcado a la actualidad
industrial también en este campo. La industria mecánica se ha visto bajo la
338
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
influencia determinante de la electrónica, la automática y las
telecomunicaciones, tanto en la operación de la maquinaria como en el
mantenimiento industrial. La industria tiene nuevas herramientas para explotar
eficaz y eficientemente la maquinaria instalada y elevar a niveles superiores las
actividades de inspección y mantenimiento. Por ello, nos detendremos en
algunas técnicas de desarrollo reciente que aumentan nuestra capacidad para el
aseguramiento de la aptitud para el servicio de componentes mecánicos.
Las herramientas de NDT actuales se basan en los mismos principios que las
tradicionales, pero cuentan con un grado de automatización y procesamiento de
la información que ha avanzado notablemente en los últimos 10 años. Por
ejemplo, las tecnologías de NDT se han especializado en el desarrollo de
métodos para la inspección en línea (In Line Inspection, ILI) de tuberías, ver
Figura 9.8.
Figura 9.8 Herramienta para inspección en línea de tuberías (ILI)
Estas herramientas, que viajan con el flujo por el interior de tuberías, incluyen
diversos tipos de transductores y se definen según su propósito:
•
Geométricas (Caliper): detectan daños en la geometría, como
abolladuras.
•
Magnéticaspara
(MFL
y TFI):
utilizan eldemétodo
dispersión
flujo
magnético
detectar
reducciones
espesordey defectos
en del
la pared
339
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
•
de la tubería.Se utilizan para caracterizar y estimar el tamaño de
defectos de corrosión externa e interna, anomalías en las costuras
soldadas (transversal o longitudinal), acanaladuras, picado, etc. No
detectan fisuras, ni estiman bien las abolladuras ni las laminaciones.
Ultrasonido: mediante palpadores o sensores ultrasónicos, se
especializa en la detección de fisuras y otros defectos, demasiado
pequeños líquido,
para ser no
detectados
los métodos
un
acoplante
apto paracon
tuberías
de gas, anteriores.
salvo que seRequiere
lo use con
una inyección de líquido (Batch).
EmatScan CD (Transductor Electromagnético Acústico): apropiado
para operar en líneas de gas sin acoplante. Detecta colonias de fisuras
de SCC. Provee cobertura total de la circunferencia. Determina el largo
de las fisuras axiales y su profundidad.
GEOPIG: herramienta con un sensor inercial, permite determinar
desplazamientos, especialmente en tuberías enterradas en suelos
potencialmente inestables.
Muchas tuberías no pueden inspeccionarse mediante ILI, por ejemplo, aquellas
que tienen cambios de diámetro o curvaturas violentas. La evaluación directa
(Direct Assessment, DA) es una metodología válida como alternativa al ILI. En
general se plantea cuando ILI/PH no es posible o practico:
–
–
–
–
–
Conexiones Telescópicas
Diámetros pequeños
Curvas de pequeño radio
Válvulas que no son
son de apertura total
Bajo Caudal o Baja Presión
La magnetometría o Tomografía Magnética consiste en medir mediante un
magnetómetro las anomalías magnéticas superficiales. El instrumento
magnetométrico (SKIF) registra los cambios de campo magnético terrestre
arriba
del ducto.según
Un software
calculaLos
los lugares
de concentración
de tensionesy
y los clasifica
su magnitud.
operadores
interpretan magnitudes
características de las anomalías magnéticas, y localizan los concentradores de
tensiones. Es un método aun en desarrollo. Entre sus beneficios cabe
mencionar que se puede aplicar por tramos, que determina la ubicación y
caracteriza los defectos por niveles de severidad, que no requiere de
preparación alguna de la línea, y que no requiere sacar la línea de servicio, ni
acondicionarla durante la inspección. Entre sus mayores limitaciones, cabe
destacar que es una metodología aún no validada ni aprobada
aprobada por los
estándares o códigos aplicables. Requiere exhaustivas evaluaciones previas a la
inspección y una vez finalizada, la probabilidad de detección es inferior a la de
la inspección interna.
Otro
desarrollo
método
de ultrasonido
es el denominado
de Ondas
Onda
s Guiadas.
Guiareciente
das. Esdeluna
tecnología
de Ultrasonido
Ultrasonido
de largo
largo Método
alcance
alcance
340
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
desarrollado para detectar pérdidas de metal en ductos. Es un sistema de pulsoeco que tiene como objetivo ensayar grandes volúmenes de material desde un
punto de ensayo. Permite evaluar tramos de varios metros en cada medición,
por lo que no es necesario exponer toda la tubería. Su aplicación inicial fue
detectar corrosión debajo de la aislación en ductos de plantas petroquímicas,
pero ahora se usa en otras situaciones donde las líneas no son accesibles, por
ejemplo enportuberías
enterradas,personal,
aéreas, Figura
encamisadas,
etc. El sistema es
controlado
una computadora
9.9.
Figura 9.9 Método de ondas guiadas
La medición durante
durante el servicio
servicio de las deformaciones,
deformaciones, y a partir de ellas, la
definición de las tensiones actuantes involucra varias tecnologías que se han
desarrollado en forma relativamente reciente.
reciente. Veremos algunos ejemplos
ejemplos de las
mitologías desarrolladas, tanto para la medición durante la operación, como el
modelado de sus efectos sobre la integridad de las estructuras. En la Figura 9.10
se muestra por ejemplo la medición directa del estado tensional en un soporte
de la estructura tubular de un puente suspendido ubicado en una zona de
vientos fuertes y variables.
variables.
341
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
󰁐󰁵󰁮󰁴󰁯 󰁤󰁥
󰁭󰁥󰁤󰁩󰁣󰁩󰃳󰁮
Figura 9.10 Instrumentación en un puente en zona de vientos
Hemos mencionado en el Capítulo 5 a los extensómetros eléctricos o Strain
Gauges. Éstos son pequeñas estampillas que se adhieren al componente y
envían una señal eléctrica proporcional a la deformación longitudinal en el
punto donde se encuentran, (Figura 5.12). Estos instrumentos miden las
deformaciones experimentadas en un determinado punto y en una determinada
dirección, consiguiéndose indirectamente las tensiones inducidas en ese punto.
En un estado plano de tensiones, como el que actúa en la superficie de un
componente, se necesita conocer al menos tres componentes del estado de
deformaciones en un punto para definir el estado de tensiones en el mismo.
Por ello, en el caso general se requiere la colocación de tres extensómetros en
distintas direcciones, lo suficientemente cercanos (y pequeños) como para que
se pueda considerar que están en un mismo punto del material. Los fabricantes
proveen estos extensómetros múltiples ya armados en una sola base, los que se
denominan rosetas. Los ángulos entre los extensómetros son típicamente 90º y
135º, 90º y 45º, o 120º. En el caso que se conozcan a priori las direcciones en
las que las tensiones máximas están siendo aplicadas en el punto de medición,
podrán usarse solamente dos extensómetros. En algunos casos bastará con
determinar una sola componente del estado de tensiones, pues se conoce la
relación entre éstas y las demás. Tal es el caso de la pared de un recipiente con
presión interna, por ejemplo, en estos casos alcanza con utilizar un solo
extensómetro.
342
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Existe en el mercado una gran variedad de otros extensómetros múltiples, de
diversa geometría y tamaño, para aplicaciones específicas. Hemos visto en el
Capítulo 1 (Figura 1.9) que los cascos de los barcos sufren cargas de flexión
debidas a las olas. Estas cargas suelen ser alternativas, es decir, flexionan al
casco en un sentido y en otro, a medida que el casco se desliza sobre las crestas
y valles producidos por las olas. Notablemente, el aumento del tamaño de los
barcos
hacolocación
aumentadodeelextensómetros
aumentado
riesgo
riesgo a este en
tipolosdecascos
roturas.
roturas.
Hoy
Hoy espararelativamente
común la
de barcos
verificar las
tensiones que soporta el casco. En estos casos, las mediciones se realizan en
dirección longitudinal, pues se conoce a priori que serán esas tensiones las que
podrían causar la sobrecarga en el casco.
Los extensómetros eléctricos, sin embargo, presentan ciertas limitaciones
cuando se requiere su uso en condiciones desfavorables, por ejemplo,
sumergidos, enterrados o a temperaturas elevadas. En estos casos suele
recurrirse a otro tipo de transductores como los extensómetros de cuerda
vibrante, o VWSG (Vibrating Wire Strain Gauges). Se utilizan entonces para
monitorear cascos de barcos, y también para monitorear los estados ttensionales
ensionales
en estructuras enterradas. Para su instalación, se crea una superficie plana por
lijado.
VWSG
se suelda
coninstrumento,
un soldadorladefrecuencia
punto, Figura
9.11.a. De de
igual
maneraElque
la cuerda
de un
de resonancia
la
cuerda aumenta cuanto más se lo tensiona. Al estar adherido al componente, la
frecuencia de vibración del alambre será proporcional al estado tensional en esa
dirección. Para medirlo, entonces, se coloca un sensor electromagnético sobre
el Strain Gauge, Figura 9.11.b. Este sensor suele estar permanentemente
colocado, y sobre el mismo se colocan capas protectoras, Figura 9.11.c.
Es necesario tomar lecturas periódicas de los Gauges, interpretar y decidir
acciones. La electrónica de la toma de datos estará compuesta por un sistema de
adquisición y loggeado de datos. Los datos se tomarán a intervalos
programables por el usuario. Los datos podrán luego recogerse en forma
manual o remota.
La magnitud de las tensiones axiales, y su influencia sobre la aptitud para el
servicio, son
son parte fundamental de las estrategias de integridad
integridad de tuberías
enterradas. Las causas de varias roturas en tuberías enterradas, especialmente en
las soldaduras circunferenciales, están relacionadas con el efecto de
movimientos de suelos (Creeping). Estos movimientos son lentos, y por ende
son de difícil detección. En suelos inestables (selva tropical) ocurren a lo largo
de pocos años. En otros casos se han producido luego de más de 50 años de
operación del ducto. Las empresas usuarias han comenzado a ejecutar planes de
mitigación que incluyen la medición y monitoreo de las deformaciones de la
tubería y el suelo aledaño, y la aplicación de modelos de interacción suelo ducto (ver ejemplo 6.A en Capítulo 6).
Para esto se instalan los medidores de deformación VWSG en la pared de la
343
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
cañería. Se colocan tres medidores de deformación en la pared de la tubería en
cada sitio instrumentado. Una vez establecidos los límites de deformación
máxima admisible, se debe intervenir la tubería para impedir que se alcancen
dichos límites. Se busca liberar a la tubería de las tensiones impuestas por la
fundación, mediantes excavaciones y otros métodos.
(a)
(b)
(c)
Figura 9.11 (a) VWSG Soldado en componente
(b) Sensor electromagnético (c) Protección
9.8 Ensayos de resistencia mediante indentación instrumentada
Asegurar la integridad de componentes sometidos a cargas mecánicas depende
en gran parte de conocer las propiedades reales de los materiales que los
componen. En muchos casos, el traspaso de los activos de una firma a otra, o
cuestiones de procesos administrativos incompletos o erróneos, han llevado a
344
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
que los operadores desconozcan el material de los equipos a su cargo. Esto los
obliga a realizar suposiciones, normalmente conservativas, que incrementan los
costos de operación. Pero sacar de servicio a los equipos, la interrupción de los
procesos, el lucro cesante generado y las operaciones que implican sacar una
muestra de material para ensayos en laboratorio suelen resultar imposibles, o
muy costosos.
Existen diversos tipos de ensayos no destructivos, ampliamente utilizados, que
permiten evaluar la integridad de un equipo, caracterizar un material
químicamente, o determinar su dureza, aunque ninguno permite conocer la
tensión de Fluencia. La norma API 579 en su anexo F presenta una tabla que
da una equivalencia aproximada entre la dureza y la Sut para aceros al carbono y
baja aleación en las condiciones de recocido, normalizado, templado y revenido.
Pero a altos y bajos valores de dureza y tensión, la relación no es lineal, los
datos son muy dispersos y las correlaciones lineales encontradas no se ajustan
adecuadamente (ver Figura 5.11, Capítulo 5). Es decir que, si bien existe una
relación entre dureza y tensión rotura, la estimación de esta relación presenta
grandes márgenes de error y variabilidad.
El uso sustancial
de indentadores
el ESYS
representa
ventaja
respectoinstrumentados
de las técnicas como
habituales
puesto10que
disminuyeuna
el
error en la determinación de la Tensión de Rotura y permite estimar la Tensión
de Fluencia, entre otros parámetros. El ensayo de indentación consiste en la
introducción de una punta indentadora, de un material cuya dureza es mucho
mayor a la del material a ensayar y de geometría
g eometría conocida, mientras se registra el
máximo esfuerzo realizado y eell diámetro de la impronta. Hemos visto en el
Capítulo 5 que el comportamiento elastoplástico de un material se define en
función de la relación entre los equivalentes de Von Mises del estado de
tensiones y deformaciones. Esta relación es un invariante, depende solamente
del material (y en menor medida de la temperatura), y es independiente del tipo
de ensayo utilizado para determinarla (tracción, compresión, torsión, flexión,
indentación).
Cuando el indentador es esférico, existen ecuaciones que permiten transformar
la presión media y la profundidad de la impronta en valores de tensión y
deformación equivalentes. Estas ecuaciones son función del coeficiente de
endurecimiento por deformación (n), la tensión de fluencia (σy) y el módulo de
elasticidad lineal (E). Con al menos tres puntos de la curva más la
incorporación de conceptos de elasticidad lineal, es posible encontrar la curva
que mejor se ajusta a dichos puntos que es, precisamente, la curva de tensióndeformación del material. En la Figura 9.12 se muestra como ejemplo las curvas
carga – profundidad de la impronta obtenidas en ensayos de 3 ciclos.
345
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 9.12 Curva carga-profundidad de la impronta, 3 ciclos
El equipo de indentación cuenta con un motor paso a paso y con una caja
reductora para permitir un control fino de la velocidad. La caja está vinculada
mediante un embrague a un tornillo de potencia de bolas recirculantes. Éste
convierte el movimiento de giro del motor en un desplazamiento lineal que
permite la introducción de la punta de indentación en el material a ensayar. La
unidad de control define el avance del indentador en función de los parámetros
establecidos por el operador, lo cual permite realizar el ensayo con distintas
velocidades de carga, en distinto número de ciclos y bajo distintas cargas
máximas e intermedias. Las lecturas realizadas se almacenan y luego procesan
para obtener los puntos de la curva de tracción, sobre la cual se determinan
finalmente los parámetros de Tensión de Fluencia, Tensión de Rotura y
Coeficiente de Endurecimiento por Deformación. La Figura 9.13 muestra
como ejemplo el indentador Esys10.
346
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Figura 9.13 Equipo de Ensayo ESYS 10. Indentador (izq.) y conjunto adquisidor (der.)
La precisión del instrumento permite determinar Tensiones de Fluencia con
una dispersión del orden del 5 % en los valores medidos. El error permite
diferenciar entre los distintos grados posibles del material. El algoritmo está
diseñado para que los posibles errores sean por defecto, es decir, las resistencias
medidas son menores o iguales a la que resultarían de un ensayo destructivo de
tracción. Esta característica redunda en mayor confiabilidad de los resultados.
9.9 Monitoreo de máquinas
El mantenimiento predictivo es una técnica para pronosticar el punto futuro de
falla de un componente de una máquina, de tal forma que dicho componente
pueda reemplazarse, con base en un plan, justo antes de que falle. Así, el tiempo
muerto del equipo se minimiza y el tiempo de vida del componente se
maximiza. Esta técnica supone la medición de diversos parámetros que
muestren una relación predecible con el ciclo de vida del componente. Algunos
ejemplos de dichos parámetros son vibración de cojinetes, temperatura de las
conexiones eléctricas, resistencia del aislamiento de la bobina de un motor, etc.
347
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
El uso del mantenimiento predictivo consiste en establecer, en primer lugar,
una perspectiva histórica de la relación entre la variable seleccionada y la vida
del componente. Esto se logra mediante la toma de lecturas (por ejemplo la
vibración de un cojinete) en intervalos periódicos hasta que el componente
falle. La Figura 9.14 muestra una curva típica que resulta de graficar la variable
de degradación (por ejemplo, vibración) en función del tiempo. En el caso del
ejemplo, los cojinetes deberán reemplazarse cuando la vibración alcance 32
mm/seg.
Figura 9.14 Curva de degradación de un componente de máquina
Una
vez determinada
de siguiente
realizar un
mantenimiento
predictivolaa factibilidad
una máquinay oconveniencia
unidad, el paso
es
determinar la o las variables físicas a controlar que sean indicativas de la
condición de la máquina. La finalidad del monitoreo es obtener una indicación
de la condición de la máquina.
Por monitoreo se entiende a la medición de una variable física que se considera
representativa de la condición de la máquina y su comparación con valores que
indican el estado de deterioro de un componente o una máquina. Con la
automatización de estas técnicas, se ha extendido la acepción de la palabra
monitoreo también a la adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos.
El objetivo
objetivo fundamental
fundamental del monitoreo es evitar
evitar fallas
fallas catastróficas.
catastróficas. Una
máquina está protegida, si los valores indicativos de su condición llegan a ser
considerados peligrosos y la máquina se detiene automáticamente. Pero el
monitoreo permite además el diagnóstico de fallas, es decir, definir cuál es el
348
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
problema específico. Conociendo la tasa de progreso del daño, se logra el fin
último de estimar cuánto tiempo más podrá funcionar la máquina sin riesgo de
una falla catastrófica. Esto ha llevado a aplicar el mantenimiento predictivo o
sintomático, mediante análisis de vibraciones, análisis de aceites, control de
desgastes, etc. Existen varias técnicas aplicadas para el mantenimiento
preventivo entre las cuales tenemos las siguientes:
9.9.1. Análisis de vibraciones
El interés de las Vibraciones Mecánicas llega al Mantenimiento Industrial de la
mano del Mantenimiento Preventivo y Predictivo, con el interés de alerta que
significa un elemento vibrante en una Máquina, y la necesaria prevención de las
fallas que traen las vibraciones a medio plazo. El interés principal para el
mantenimiento deberá ser la identificación de las amplitudes predominantes de
las vibraciones detectadas en el elemento o máquina, la determinación de las
causas de la vibración y la corrección del problema que ellas representan. Las
consecuencias de las vibraciones mecánicas son el aumento de los esfuerzos y
las tensiones, pérdidas de energía, desgaste de materiales, y las más temidas:
daños por fatiga de los materiales, además de ruidos molestos en el ambiente
laboral, etc.
Los parámetros de las vibraciones son:
•
•
•
•
Frecuencia: es el tiempo necesario para completar un ciclo vibratorio.
En los estudios de Vibración se usan los CPM (ciclos por segundo) o
HZ (hercios).
Desplazamiento: es la distancia total que describe el elemento vibrante,
desde un extremo al otro de su movimiento.
Velocidad y Aceleración:
Aceleración: como valor relacional de los anteriores.
anteriores.
Dirección: las vibraciones pueden producirse en 3 direcciones lineales y
3 rotacionales.
Los métodos de ensayo permiten medir oscilaciones en sólidos (vibraciones) y
en fluidos (pulsaciones). Las vibraciones en elementos mecánicos suelen
dividirse en dos tipos: libre, cuando un sistema vibra a su frecuencia propia
debido a una excitación instantánea, o forzada, cuando un sistema vibra debido
a una excitación con una frecuencia o espectro de frecuencias determinados.
A continuación detallamos las razones más habituales por las que una máquina
o un elemento de la misma puede llegar a vibrar:
•
•
•
•
Vibración debida a Desequilibrios (maquinaria rrotativa).
otativa).
Vibración debida a la Falta de Alin
Alineamiento
eamiento (maquinaria
(maquinaria rotativa).
Vibración debida a la Excentricidad (maq
(maquinaria
uinaria rotativa).
rotativa).
Vibración debida a la Falla de Roda
Rodamientos
mientos y cojinetes.
349
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
Vibración debida a problemas de engranajes y correas de Transmisión
(holguras, falta de lubricación, roces, etc.)
También en estructuras estáticas existen técnicas de monitoreo de integridad
mediante medición de vibraciones. La existencia de daño estructural lleva a la
modificación de los modos de vibrar. Estas modificaciones se manifiestan
como
en los
modalesmodal).
(frecuencias
naturales, natural
formas de
modoscambios
y valores
de parámetros
amortiguamiento
La frecuencia
es los
un
indicador sensitivo de la integridad estructural. De este modo, un análisis
periódico de la frecuencia natural permite evaluar la estructura con costo
reducido, pues las frecuencias son fácilmente adquiribles. Por otro lado, el uso
de datos dinámicos es conveniente porque los acelerómetros pueden colocarse
fácilmente en cualquier estructura a diferencia de los transductores de
desplazamiento (piénsese en casos de puentes a ser ensayados cuando pasan
sobre un río, valle u otra autopista).
Los cambios en los parámetros modales pueden no ser los mismos para cada
modo, pues estos cambios dependen de la naturaleza, severidad y ubicación del
daño. Los ensayos desarrollados en diferentes épocas permiten el monitoreo de
la
condicióntipos
estructural
a lo largo del
tiempo.que
Laslasrespuestas
se obtienen
diferentes
de transductores,
mientras
excitaciones
pueden por
ser
provocadas o naturales del servicio. Sin embargo, el provocar vibraciones
artificialmente transforma a los ensayos en relativamente caros.
9.9.2. Análisis de lubricantes
Estos se ejecutan dependiendo de la necesidad:
•
•
•
Análisis Inicial: se realiza a productos de aquellos equipos que
presenten dudas provenientes de los resultados del Estudio de
Lubricación y permiten correcciones en la selección del producto,
motivadas a cambios en condiciones de operación
Análisis Rutinario: aplica para equipos considerados como críticos o de
gran capacidad, en los cuales se define una frecuencia de muestreo,
siendo el objetivo principal de los análisis la determinación del estado
del aceite, nivel de desgaste y contaminación, entre otros.
Análisis de Emergencia: se efectúa para detectar cualquier anomalía en
el equipo y/o Lubricante,
L ubricante, según:
• Contaminación con agua o con sólidos (filtros y sellos
defectuosos).
• Uso de un producto inadecuado.
Este método asegura que tendremos:
t endremos:
•
350
Máxima reducción de los costos operativos
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
•
•
•
Máxima vida útil de los componentes con mínimo desgaste
Máximo aprovechamiento del lubricante utilizado
Mínima generación de efluentes
En cada muestra podemos conseguir o estudiar los siguientes factores que
afectan a nuestra máquina:
•
•
•
•
•
Elementos de desgaste: Hierro, Cromo, Molibdeno, Aluminio, Cobre,
Estaño, Plomo.
Conteo de partículas: determinación de la limpieza, ferrografía.
Contaminantes: Silicio, Sodio, Agua, Combustible, Hollín, Oxidación,
Nitración, Sulfatos, Nitratos.
Aditivos y condiciones del lubricante: Magnesio, Calcio, Zinc, Fósforo,
F ósforo,
Boro, Azufre, Viscosidad.
Gráficos e historial: para la evaluación de las tendencias a lo largo del
tiempo.
De este modo, mediante la implementación de técnicas ampliamente
investigadas
y experimentadas,
y con ladrásticamente:
utilización de equipos de la más
avanzada tecnología,
se logrará disminuir
•
•
•
•
Tiempo perdido en
en producción en
en razón de desper
desperfectos
fectos mecánicos.
Desgaste de las máquinas y sus componentes.
Horas hombre dedicadas al mantenimiento.
Consumo general de lubricantes.
9.9.3. Análisis por emisión acústica
Este método estudia las ondas de sonido producidas por los equipos que no
percibe el oído humano. Casi todas las fricciones mecánicas, arcos eléctricos y
fugas
presión
o vacío producen
ultrasonido en un
aproximado a en
los 40
Khz. deEsta
frecuencia
tiene características
muyrango
aprovechables
el
Mantenimiento Predictivo, puesto que las ondas sonoras son de corta longitud
y se atenúan rápidamente, sin producir rebotes. Por esta razón, el ruido
ambiental no interfiere en la detección del ultrasonido.
Se denomina Ultrasonido Pasivo a la tecnología que permite captar el
ultrasonido producido por diversas fuentes. Mediante la tecnología de detección
apropiada, el Ultrasonido permite:
•
•
•
•
Detección de fricción en máquinas rotativas.
Detección de fallas y/o fugas en válvulas.
Detección de fugas de fluidos.
Pérdidas de vacío.
351
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
Detección de "arco eléctrico".
Verificación de la integridad
integridad de juntas de recintos estancos.
La medición de ultrasonido es complementaria con la medición de vibraciones.
La aplicación del análisis por ultrasonido es especialmente útil en la detección
de fallas en equipos rotantes que giran a velocidades inferiores a las 300 RPM,
donde la técnica de medición de vibraciones no es un procedimiento
procedimiento eficiente.
La alta direccionalidad de la onda de ultrasonido permite detectar con rapidez y
precisión la ubicación de la falla. En componentes estáticos, este método se
utiliza también para detectar defectos de falta de espesor y fisuras, y en general
defectos que generen una concentración de tensiones. El elemento productor
de la emisión acústica es en este caso la deformación plástica del material en la
zona de mayores tensiones. Por ende, se requiere que durante la medición el
defecto esté “activo”. Para ello se asegura que el componente esté sometido a
tensiones superiores a las habituales durante el funcionamiento, por ejemplo,
mediante el aumento de presión en componentes presurizados. Se colocan
varios sensores a lo largo del componente, y por triangulación se determina la
posición de defecto. Luego, un análisis de la “huella digital” de la señal acústica
permite evaluar el tipo de defecto. Sin embargo, una vez localizado el defecto
habitualmente se utilizan otras técnicas de NDT (ultrasonido, radiografía) para
medir y caracterizar al defecto con mayor precisión.
9.9.4. Análisis por Termografía infrarroja
Hemos visto que algunos de los mecanismos de daño en componentes y
estructuras están relacionados con altas temperaturas (termofluencia, algunos
mecanismos de corrosión y desgaste) o con variaciones bruscas de temperatura,
tanto en el tiempo como en el espacio (fatiga térmica, etc.). Por ello, establecer
con detalle la distribución de temperaturas es, en muchos casos, una
herramienta fundamental para el aseguramiento de la integridad tanto de
componentes estáticos como en máquinas.
La gran mayoría de los problemas y averías en el entorno industrial, ya sea de
tipo mecánico, eléctrico o de fabricación, están precedidos por cambios de
temperatura que pueden detectarse mediante la monitorización de temperatura
con sistema de Termovisión por Infrarrojos. El análisis termográfico se basa en
la obtención de la distribución superficial de temperatura en el componente o
sistema, con el que se obtiene un mapa de temperaturas (termografía o
termograma).
La termografía es una técnica que permite medir temperaturas exactas a
distancia y sin necesidad de contacto físico con el objeto a estudiar. Los ojos
humanos no son sensibles a la radiación infrarroja emitida por un objeto, pero
las
o de termovisión,
sonen
capaces
de medir ladeenergía
concámaras
sensorestermográficas,
infrarrojos, capacitados
para "ver"
estas longitudes
onda.
352
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Esto nos permite medir la energía radiante emitida por objetos y, por
consiguiente, determinar la temperatura de la superficie a distancia, en tiempo
real y sin contacto.
Esta técnica permite detectar eventuales puntos fríos o calientes y relacionarlos
con posibles anomalías. La realización del estudio termográfico está muy
extendida térmicas,
para la comprobación
de maquinarias
sistemas relacionadas
con
máquinas
sistemas de generación
y de ydistribución
de electricidad,
procesos químicos, etc. El estudio de los sistemas de distribución puede alertar
de las pérdidas energéticas que se producen por un mal aislamiento, alguna
rotura o un mal engranaje.
Las cámaras termográficas son dispositivos portátiles y su aplicación queda
definida por el rango de temperaturas que permiten registrar. Las más comunes,
para temperaturas menores, se aplican para la visualización de áreas donde se
pueden encontrar fallas de bornes de tableros, trasformadores, etc., y para
supervisar y hacer mantenimiento preventivo en motores, rodamientos y
aisladores de tensión. Las aplicaciones para evaluación de Creep, por ejemplo,
requieren de un rango mayor de temperaturas, y con ello se encarece el
equipamiento.
9.10 Estimación de vida remanente frente a mecanismos de daño
Hemos visto (Figura 9.1) que la tasa de fallas, o el costo asociado con ellas,
crece en forma potencial a medida que el componente o sistema envejece. Esto
se debe a que casi todos los mecanismos de degradación en servicio son autosinergísticos, es decir, a medida que el daño crece, la velocidad o tasa con la que
crece es también mayor. Ejemplos de esto aparecen también en el caso de
desgaste (ver Figura 9.14), en la propagación por fatiga de una fisura (ver Figura
F igura
6.D3), en la degradación microestructural por Creep, en la propagación de
fisuras por SCC, etc.
Para predecir el tiempo en que un componente podrá utilizarse en condiciones
seguras se debe realizar una integración de la propagación del daño, entre el
tamaño máximo que pueda tener al inicio (definido, por ejemplo, como el
máximo defecto presente que pueda haber escapado su detección durante la
inspección anterior a su puesta en servicio), y el tamaño que producirá la falla
de la estructura. En el Capítulo 6 hemos visto en detalle cómo se realiza este
proceso para el caso de propagación de fisuras por fatiga (ver Sección 6.10 y
Ejemplo 6.D).
En ese modelo evaluamos un ejemplo relativamente sencillo, en el cual el
componente había estado sometido a esfuerzos cíclicos de magnitud
aproximadamente constante durante toda su vida útil. Eso nos permitió integrar
las ecuaciones fractomecánicas que modelan la propagación de la fisura por
353
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
fatiga, y determinar así con buena precisión la vida útil del componente.
Similarmente, el aumento de las vibraciones en un rodamiento (Figura 9.14)
muestra una tasa de incremento predecible, solo si el rodamiento está sometido
a un régimen de servicio (definido por cargas, velocidad de rotación,
temperatura, condiciones de lubricación, etc.) aproximadamente
aproximadamente constante.
Un ejemploactual
de estimación
remanente
se muestraporen dlao, Figura
9.15. La
magnitud
(tiempo Ndeo) vida
del daño
está definido
y la magnitud
aceptable por df, (magnitud que se alcanzará en el tiempo Nf). Para evitar una
probabilidad elevada de falla, el componente debe repararse o reemplazarse en
algún momento antes de que se cumplan los Y años hasta Nf. Nótese en la
Figura que para el momento en que se cumpla la mitad del tiempo de
sobrevida, el daño 󰁤 sólo representara aproximadamente un 25% del daño
admisible. Sin embargo, la elevada tasa de acumulación de daño en las últimas
fases del proceso, nos lleva a la conclusión de que definir la vida remanente en
función del tamaño del daño nos llevaría a situaciones inseguras. Si la falla en el
momento Nf es la rotura de un rodamiento o una fuga de vapor, entonces
podemos aproximarnos, pero si la falla involucra por ejemplo un reventón por
el disparo de una fisura, entonces debemos proceder a la mitigación cuando el
defecto es solamente una pequeña fracción de su tamaño crítico.
Otro problema adicional, que reduce aún más la confiabilidad de estas
predicciones, aparece cuando ocurren cambios bruscos en las condiciones de
servicio. Si los esfuerzos cíclicos, por ejemplo, aumentan o disminuyen respecto
de sus magnitudes históricas, se producirán cambios de pendiente importantes
en la curva. Esto lleva a curvas
curvas de vida como las
las indicadas en líneas
líneas de trazos
en la Figura 9.15. Es obvio que la precisión de las predicciones decaerá, y
probablemente se deberá reducir el tiempo de sobrevida admisible antes de la
reparación.
df
o
t
c
e
f
e
d
e
d
o
ñ
a
m
a
T
X años
daño y tiempo de
servicio actuales
Y años
Mitad del tiempo
de sobrevida
d
tiempo
Fig. 9.15 Ejemplo de estimación de vida remanente
354
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Por fortuna, la variación de la amplitud de los ciclos de fatiga es hasta cierto
punto predecible, y guarda relación con las variaciones históricas. Cerraremos
este capítulo con un ejemplo de predicción de vida remanente en estas
condiciones. Para ello extenderemos las técnicas fractomecánica
f ractomecánicass definidas en el
Capítulo 6, con la introducción del concepto de daño promedio anual. Este
concepto establece que aún en casos de cargas variables, es posible definir un
espectro
que se repetirá
con lo en
cual
el problema
en
base a anual
qué fracción
de la vidaentotal
totelaltiempo,
se consumirá
cada
período. se analiza
EJEMPLO 9.A Predicción de vida a la fatiga en oleoducto
Salvo en casos particulares, los ciclos de presión en una cañería en servicio no
son de amplitud constante. En este caso, se debe estimar la vida a la fatiga
correspondiente a la historia de servicio prevista (diseño) o pasada (integridad),
esto es, al espectro de presiones en función del tiempo. Para ello se
descompone este espectro en bloques de ciclos de presión de diferentes
amplitudes. Los métodos comúnmente aceptados para el conteo de ciclos se
indican en la norma ASTM E 1049.De todos ellos, el más difundido es el
denominado
método
Rainflow,
que optimiza
la detección
ciclos de
de
mayor amplitud
en el del
espectro
de presiones.
Se realiza
el conteodedeloseventos
variación de tensiones a partir de los registros históricos del equipo y
predicciones a futuro.
Normalmente se recurre a la integración por pasos y por bloques de amplitud
de ciclos, usando la regla de Miner para tensiones cíclicas de amplitud variable.
El criterio de Miner se basa en la sumatoria de los daños debidos a cada bloque
de amplitud de cargas cíclicas. El daño producido durante un año, por ejemplo,
es la inversa de la cantidad de años definida como vida total para un
determinado bloque de amplitud de tensión cíclica. El daño total en un año es
la suma de los daños para todos los bloques en que se subdividió el espectro de
cargas. De este modo se estima el daño acumulado por el componente en un
año de operación y, a partir de este valor, se estima la vida remanente en años.
ni
∑N
=C
(9.11)
i
donde ni es el número de ciclos al que se somete al componente a una amplitud
de tensión σi, Ni es el número de ciclos necesario para provocar la falla con la
misma tensión y C es una constante(normalmente se considera que su valor es
igual a uno). El valor de Ni se puede obtener de las curvas S – N disponibles en
la bibliografía o a partir de la integración de la ecuación de Paris. La mayoría de
los códigos de diseño o documentos de evaluación de integridad que incluyen
criterios de evaluación a la fatiga proveen de estas curvas para los materiales
admitidos (ver por ejemplo Tabla 6.3).
355
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Para estimar la vida a la fatiga de un componente cuya carga es variable, se
definen primero las profundidades de defecto inicial y final, como vimos ya en
la Sección 6.10. Luego se realiza el conteo de ciclos y se los agrupa en bloques
de igual amplitud de presión. Se verifica cuáles son las amplitudes de presión
que producen propagación por fatiga, despreciando los ciclos de tensión que
provocan un 󲈆K menor que 󲈆K0 (amplitud umbral, ver Sección 6.10). Los
ciclos de tensión
mayor
amplitud
generan
obviamente la
tasa de
propagación,
pero de
debe
tenerse
en cuenta
que habitualmente
las mayor
frecuencias
ocurrencia de estos grandes ciclos suelen ser pequeñas. Luego se utiliza un
criterio de sumatoria de daños, típicamente el criterio de Miner, y se estima la
vida a la fatiga en años.
años.
La confiabilidad de estas estimaciones depende de que se mantengan las
condiciones de operación supuestas en el futuro. Si se observa un aumento
sustancial de las frecuencias o amplitudes de ciclos (especialmente los de gran
amplitud), las predicciones de vida deberían actualizarse periódicamente.
En este ejemplo, estimaremos la vida a la fatiga de un gasoducto con 25 años de
funcionamiento, de diámetro 12 pulgadas y espesor 4.78 mm. La Figura 9.A
muestra
de ciclos
de presión
en funcióndurante
de la amplitud
de ciclos,
obtenidosla distribución
con el método
de conteo
de Rainflow,
doce meses
de
operación del gasoducto. El límite de detección de las herramientas de ensayos
no destructivos, esto es, la mayor profundidad de defecto que pudo haber
quedado sin detectar, es de 2mm. El tamaño crítico de una fisura superficial
exterior que provocaría el reventón fue estimado en 3,32 mm para la presión de
operación máxima del gasoducto. Considere una relación a/c constante = 0.1.
El valor umbral∆Koestá en el orden de2 MPa m 1/2,utilizaremos las propiedades
de propagación definidas en la Tabla
T abla 6.3.
Definimos primero la presión umbral, correspondiente a la tensión
circunferencial que no propagará la fisura. Para una profundidad promedio de
2 (corte
fisura
2.67 mm, de
la amplitud
presión
debajo
de laumbral
cual no
ocurre =propagación
fisuras pordefatiga
es ∆mínima
Po = 6.6por
Kg/cm
en
Figura 9A).
En la Figura 9A se observa una escasa cantidad de ciclos de gran amplitud, que
son los que mayor daño generan. Para predecir el número de ciclos de vida total
t otal
de la fisura en estudio, integramos la ecuación 6.14 de propagación de la fisura,
entre el tamaño inicial y final. De este modo determinamos la cantidad de ciclos
necesarios para propagar de 2 mm hasta la final de 3.32 mm, considerando
solamente el efecto de cada uno de los bloques de amplitud por separado. La
inversa de la vida estimada es el daño sufrido por el gasoducto debido a los
ciclos de cada bloque. Luego, utilizando el criterio de Miner de sumatoria de los
daños, se estima el daño acumulado por el gasoducto en un año de operación.
De nuevo, la inversa de este valor es la vida a la fatiga total en años.
356
Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
Figura 9.A Distribución de ciclos de presión en función de la amplitud de ciclos,
obtenidos con el método de conteo de Rainflow
La Tabla 9A muestra los resultados de los cálculos de velocidad media de
propagación de fisuras por fatiga, para cada uno de los bloques de amplitud de
presión cíclica. Los cálculos se realizaron para las dos condiciones extremas
definidas en la Tabla 6.3: material base y material de la ERW. Las mayores
velocidades de propagación son predichas para el caso del material de
soldadura. Para reducir la longitud de la tabla, y como es sólo un ejemplo, se
incluyen sólo las filas para los ciclos de menor y de mayor amplitud.
Las
últimasy dos
filasremanente
muestrandel
el daño
total por
fatigaestimada
predichoesen
año de
de
operación
la vida
gasoducto.
La vida
delun
orden
los 370 años. No es un valor tan elevado: las normas para tuberías enterradas
establecen que la vida calculada debe ser al menos tres veces la vida deseada,
con lo cual esta tubería estaría en condiciones de funcionar en forma segura
frente a este tipo de daño por unos 120 años.
357
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Delta Ciclos por
P (Bar) año (n)
6,6
3500
6,8
5000
7
5000
7,2
7000
Soldadura
Ciclos hasta Daño en un
rotura (N)
año
7,47E+08
4,687E-06
6,43E+08
7,773E-06
5,56E+08
8,986E-06
4,83E+08
20,8
500
2,40E+06
23
500
1,45E+06
25
500
9,58E+05
25,2
500
9,20E+05
Suma de daños
Vida remanente estimada [años]
Material Base
Ciclos hasta Daño en un
rotura (N)
año
5,79E+09
6,050E-07
4,84E+09
1,034E-06
4,06E+09
1,230E-06
1,448E-05
3,43E+09
2,039E-06
2,082E-04
3,441E-04
5,221E-04
5,433E-04
2,691E-03
371,57
5,90E+06
3,23E+06
1,96E+06
1,87E+06
8,468E-05
1,548E-04
2,553E-04
2,678E-04
1,026E-03
974,53
Tabla 9.A Vida remanente a la fatiga, para propagar una fisura desde 2 mm hasta 3.32
mm, utilizando el criterio de Miner
BIBLIOGRAFÍA
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Extensión de Vida de Equipamiento Industri
Industrial
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Capítulo 9: Mitigación y extensión de vida frente a fallas en servicios
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Centrum Técnicas y Científicas. Barcelona, España, 1992.
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www.npd-solutions.com, 2012.
359
CAPÍTULO 10
CONSECUENCIAS DE UN ANÁLISIS DE FALLA
10.1
10.2
Redacción de informes luego de un análisis de falla
Análisis de fallas en casos potencialme
potencialmente
nte litigiosos
10.3
10.4
10.5
10.6
Aprender
o nohumano
aprender de los errores,
aprender
errores, he aquí la cuestión
Sobre el error
Errores humanos a distintos niveles, el caso Chernóbil
Imposiciones empresariales
empresariales y políticas sobre la toma de
decisiones
Las reglas se relajan: el caso del pozo Macondo
EJEMPLO 10.A Incidente en una planta de bombeo de agua
Subestimación de consecuencias de eventos naturales, el caso
Fukushima
Gerenciamiento de plantas y equipos antiguos
Causas y consecuencias del accidente más famoso
BIBLIOGRAFÍA
10.7
10.8
10.9
10.10
10.1 Redacción de informes luego de un análisis de falla
Un informe bien redactado que explica claramente lo que ocurrió, cómo
ocurrió, y por qué sucedió es valioso y sirve a muchos propósitos. Existen
varios formatos para
para informar los
los resultados de una
una investigación.
El formato más fácil es una narrativa simple, donde el investigador describe
simplemente todos sus esfuerzos de investigación en orden cronológico. Un
informe descriptivo funciona bien cuando la investigación implica sólo algunas
cuestiones y la evidencia es sencilla. Sin embargo, puede ser difícil para un
lector imaginar la reconstrucción de eventos cuando hay muchos hechos a tener
en cuenta, cuando se trata de la línea de razonamiento, cuando hay resultados
de pruebas e informes de laboratorio, cuando hay testigos oculares que tienen
que ser correlacionados entre sí y con los informes de laboratorio, y cuando se
usan varios principios científicos interconectados. De este modo, a veces
también se muestran respuestas antes de que las preguntas se hayan
desarrollado plenamente.
Alternativamente, un informe de investigación puede prepararse como un
documento académico, repleto de jerga técnica, ecuaciones, gráficos y notas de
referencia copiosa. Este tipo de informe, aunque apropiado para informes de
investigación o para las conclusiones de una investigación particular de
profesionales experimentados, es a menudo insuficiente. Para determinar qué
tipo de formato se utilizará, es importante considerar en primer lugar quién va a
leer
informe.
podría leer un informe de investigación de
causaelraíz
incluyeLa
losaudiencia
siguientesque
casos:
361
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
reclamaciones
iones (seguros): el regulador utilizará el informe
• Ajustadores de reclamac
para determinar si corresponde un reclamo en virtud de los términos y
condiciones de la póliza de seguro. Si sospecha que hay subrogación potencial,
enviará el informe al abogado de la empresa para su evaluación. Subrogación es
un tipo de demanda que una compañía de seguros presenta a un tercero que
podría haber tenido algo que ver la causa de la pérdida, para recuperar el dinero
pagado por una reclamación.
• Las autoridades: ciertamente estarán interesadas si el informe está
relacionado con un delito, negligencia criminal o violación de la ley. El informe
puede convertirse en parte de su cuerpo de pruebas para la acusación. Pueden
comparar los hechos y conclusiones del informe contra lo que puedan haber
recogido y pueden repetir o comprobar cualquier trabajo de laboratorio para
confirmar las conclusiones y observaciones que se examinan en el informe. Las
autoridades podrán tomar posesión de cualquier evidencia almacenada durante
la preparación del informe. Si hay evidencia o información que indica que ha
habido un crimen, en la mayoría de los casos existe una obligación legal y
profesional para llevar esto a la atención de las autoridades correspondientes.
La única excepción que podría aplicarse a esta obligación es cuando se ha
invocado
el principio
de privilegio
cliente-abogado.
Si con
este eles abogado
el caso, de
se
deben aclarar
cuidadosamente
cuálesdeson
sus obligaciones
registro en este asunto.
• Abogados: los abogados examinan cada línea y cada palabra utilizada en el
informe. A menudo, darán significados a palabras o frases que el investigador
nunca tuvo la intención de dar. El significado legal puede ser diferente al
significado ingenieril. Los ingenieros son en general pobres escritores, los
abogados viven de ello. Esta disparidad en habilidades de lenguaje a menudo
proporciona a los abogados de ambos lados una gran variedad de posibilidades
para reinterpretar el informe del ingeniero en el sentido que necesiten.
• Expertos técnicos: también varios expertos técnicos leerán el informe ya que
poseen conocimientos y habilidades similares a las de los miembros del equipo
investigador. Los expertos del otro bando serán un reto para cada faceta del
informe que sea perjudicial para su cliente e intentarán demostrar que el
informe es una farsa y no vale nada. Cualquier estándar del investigador será
por supuesto demostrado como incorrecto, mal aplicado o no tan bueno como
el utilizado por los otros expertos. Una técnica común que se utiliza para
desacreditar un informe es segmentarlo en diminutas piezas, ninguna de las
cuales, examinada individualmente, es perjudicial. Esta técnica está diseñada
para desconectar las interrelaciones de los diversos componentes y destruir el
contexto y el sentido general.
• El mismo autor: años después de terminado el informe el investigador puede
tener que tratar nuevamente el tema. Los casos judiciales pueden tomar varios
362
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
años y el experto dependerá de su propio informe para recordar los detalles del
caso.
• Juez o jurado: la mayoría de los miembros de un jurado se ponen incómodos
con ecuaciones y datos estadísticos. Desde la escuela secundaria, su principal
fuente de nuevos conocimientos científicos o tecnológicos han sido los
espectáculos de televisión y publicaciones populares.
• Administradore
Administradores:
s: la gente que gestiona la empresa querrá comprender lo que
está en el informe y utilizar el informe como base para acciones correctivas,
para prevenir que algo similar ocurra de nuevo.
• Otros profesionales: profesionales de industrias conexas que deseen evitar
tener este tipo de eventos en su planta o instalación.
A fin de satisfacer estas audiencias diversas, el formato de informe debe ser
coherente con el método de la pirámide de investigación señalado en el
Capítulo 7. El informe incluirá:
•nombres
Identificadores
de informe
esto incluye
el título
fecha de informe,
los
y direcciones
del : autor
y cliente
y ycualquier
información
identificatoria, como el número de archivo o caso, y la fecha de la falla.
• Objeto: esta es una declaración concisa de lo que el investigador intenta
lograr. Suele ser una sola oración o un párrafo muy corto.
• Información básica: esta parte del informe establece el escenario para el
resto del informe. Contiene información general sobre lo ocurrido para que el
lector comprenda lo que se discute.
• Análisis: esta es la sección en la que el investigador explica cómo se
relacionan los hechos diferentes uno con otro.
• Resultados: esta es una lista de todos los resultados fácticos y observaciones
relacionadas con la investigación. La organización de los hechos es importante.
Enumerar las observaciones y conclusiones más generales primero y luego los
elementos más detallados es una técnica útil.
• Conclusiones: en sólo unas pocas frases,
f rases, quizás incluso sólo una, se resumen
las conclusiones y se declara la conclusión. La conclusión debe decirse
claramente, con sin equívocos,
equívocos, utilizando el modo indicativo.
• Observaciones: a veces durante el curso de la investigación se obtiene
información en asuntos conexos que puedan afectar la seguridad y el bienestar
general.
363
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
• Apéndices: cálculos detallados, ensayos específicos o extensos datos
pertinentes al informe se incluyen en los apéndices. Poniendo aquí los cálculos
y datos, no se interrumpe el flujo de lectura general del informe para los
lectores que no pueden seguir los cálculos detallados o simplemente no están
interesados en ellos. Y para aquellos que deseen sumergirse en los detalles,
están disponibles para su examen.
• Archivos adjuntos: este es el lugar para poner fotografías y descripciones,
extractos de normas y códigos, informes de laboratorio y otros elementos
relacionados que son demasiado grandes o su inserción directa en el cuerpo del
informe resulta inconveniente, pero sin embargo son pertinentes.
• Resumen ejecutivo y tabla de contenidos: cuando el informe es largo y
complejo puede añadirse un resumen y/o una tabla de contenidos al frente del
informe. El resumen ejecutivo, que es generalmente de unos pocos párrafos y
no más de una página, toma nota de los aspectos más destacados de la
investigación, incluyendo las conclusiones. Una tabla de contenido indica la
organización del informe y permite al lector encontrar rápidamente las
secciones y elementos que quiera revisar.
10.2 Análisis de fallas
f allas en casos potencialmente litigiosos
Recientes tendencias en la ley están creando un número creciente de pleitos
contra las personas y organizaciones que manejan materiales involucrados en
litigios. La obligación legal comienza cuando la persona maneja o realiza
ensayos con una muestra causa o permite cualquier degradación, pérdida,
destrucción, o alteración del material. Este tipo de obligación puede ser un
problema muy significativo cuando se piden análisis, ensayos, o inclusive
almacenamiento de materiales que están o pueden estar involucrados en litigio.
El término general aplicado en estos casos es la destrucción o degradación de la
evidencia física o documental pertinente al litigio y que se tiene la obligación de
conservar. Tradicionalmente, esto involucra una situación en la cual el grupo
que posee la evidencia causa la pérdida o alteración de la evidencia. El concepto
no sólo se aplica a la evidencia física, sino también a fotografías, documentos,
registros de computadora, o cualquier evidencia que una persona tenga el deber
de conservar.
Es común que consultores forenses independientes inspeccionen y conserven
los materiales involucrados en litigio. Estas personas se están volviendo el
enfoque de los pleitos. La obligación legal puede imponerse aún cuando se
hayan obedecido todas las instrucciones y se hayan realizado los ensayos
apropiados. La demanda por negligencia podría generarla no sólo el grupo que
pide la comprobación, sino también cualquier otro litigante que pueda haber
sido adversamente afectado por cualquier pérdida o daño de los materiales, o
364
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
incluso la pérdida de la oportunidad para estar presente y, observar y
documentar cualquier examen o ensayo destructivo.
La ASTM emitió una norma (E860) que es aplicable a este tipo de examen.
Algunos de los requisitos
requisitos más significativos
significativos de esta norm
normaa incluyen lo siguiente:
siguiente:
1. El
material
o pieza es, o podría esperarse razonablemente que sea, el
asunto
de litigio.
2. Se requieren acciones específicas si cualquier ensayo, examen,
desmontaje u otra acción altera la naturaleza, estado o condición de la
evidencia, y evitar o limitar un examen posterior.
3. El analista debe documentar por medios fotográficos u otros medios la
condición de la evidencia antes de cualquier examen.
4. Si el examen puede alterar las condiciones de la evidencia o limitar otro
ensayo, se le exige a la persona que realiza la prueba notificar al cliente
de este hecho y recomendarle que notifique a todos los otros
potenciales interesados. También se requiere que el analista recomiende
al cliente que a todas las otras partes interesadas se les dé la
oportunidad de testimoniar y grabar en video cualquier ensayo,
desmontaje,
examen,deletc.ensayo, toda la evidencia debe devolverse o
5. En
la finalización
conservarse, a menos que todos los grupos estén de acuerdo que se
puede desechar.
6. El ensayo siempre debe atrasarse hasta que se haya notificado a todos
los interesados, excepto cuando el retraso afecte adversamente la
calidad de los resultados debido a cambios de estado de la evidencia.
7. Las normas también requieren documentación completa de todo el
ensayo, examen, desmontaje, u otras acciones. Bajo los requisitos de
esta norma, el analista podría ser "negligente," aunque se hayan seguido
las instrucciones del cliente, si estas instrucciones no fueran conformes
a la norma.
El analista deberá tener una comprensión clara de su rol específico y la
naturaleza y magnitud de cualquier examen o ensayo que se lleve a cabo. Si el
cliente no proporciona esto por escrito, puede enviarse una descripción escrita
de lo entendido, de las acciones pedidas y solicitarle al cliente que confirme esta
comprensión, por escrito. Si el analista duda sobre si el cliente es el dueño real
del material en cuestión, o si tiene la autoridad para pedir un examen, debe
plantearlo al cliente. Puede ser necesario conseguir la autorización específica
adicional del dueño real.
Si el cliente no es consciente de los procedimientos apropiados, el analista debe
aconsejarlo de las normas y requisitos aplicables. Aunque los servicios sean
solicitados por una gran corporación o una compañía de seguros, es mejor
discutir estos problemas abiertamente y no asumir que la persona con quien se
está tratando es consciente de los procedimientos
procedimientos apropiados.
365
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
El analista deberá informar al cliente de la naturaleza y magnitud de cualquier
ensayo destructivo, y pedirle que proporcione la notificación apropiada a todas
las partes interesadas (como las requeridas por las normas de ASTM). El
analista deberá buscar una garantía por escrito de su cliente que afirme que esto
se ha hecho antes de comenzar cualquier ensayo destructivo. Cuando otras
partes potencialmente interesadas estén involucradas en el ensayo, se acordarán
protocolos
el se
findocumentará
de determinar
el ordendepreciso
y el mecanismo
las
pruebas,
así con
como
el acuerdo
los grupos
con respectodea los
procedimientos, y cuánto pueden participar los otros grupos en el ensayo.
Los procedimientos para la inspección de los materiales deben incluir
etiquetado o identificación de todas las partes pertinentes, documentando la
cadena de custodia
custodia del transporte
transporte de tales materiales y su almacenamiento. Si
los materiales involucrados se degradasen o cambiaran potencialmente en un
período corto de tiempo (evaporación, oxidación, etc.) se deberán adquirir las
instrucciones y autorización necesarias, para proceder con el ensayo apropiado.
Debe fotografiarse el material frecuentemente para documentar su condición,
como hemos visto en el Capítulo 3: a. al recibirlo, b. antes de cualquier ensayo,
c. durante cualquier desmontaje o examen del material, d. al concluir cualquier
prueba.
deberán
también
del material
en el
momentoSeque
deja dedocumentar
estar en su control
y lelases condiciones
entregado a algún
otro grupo.
En casos potencialmente litigiosos, el analista deberá contar con seguro de
responsabilidad profesional o similar, y determinar si tiene protección adecuada
contra posibles demandas de este tipo. Para los casos que involucren importes
sustanciales el analista podrá tener por lo menos una persona presente durante
el examen y ensayos para verificar y documentar las condiciones del material.
El analista debe desarrollar formularios que definan: la recepción de los
materiales, el alcance de la asignación, la notificación del ensayo destructivo, la
demanda para que el cliente notifique a grupos terceros, el almacenamiento y el
envío o desecho del material. Un abogado experimentado puede ser de ayuda
en este punto. Cuando le pidan que prepare informes de incidentes litigiosos, u
opiniones de experto, el analista deberá consultar los requisitos de las normas
ASTM E-1020 y ASTM E-620. La
L a confidencialidad es sumamente importante
en casos que involucran
involucran litigio. Por más que los hallazgos
hallazgos puedan
puedan ser
académicamente interesantes, es arriesgado compartir o discutir estos hallazgos,
incluso en una base informal. Si tiene cualquier duda acerca de a quién deben
descubrirse los hallazgos, el analista debe clarificarla por escrito con el cliente.
El analista determinará si el cliente quiere un informe escrito, cualquiera sea el
resultado. En algunos casos, el cliente puede querer que informe sus hallazgos
oralmente, y decidir entonces la necesidad o magnitud del informe escrito. El
analista tiene el deber de informar los hallazgos al cliente con precisión y en su
totalidad. Sin embargo, en algunos casos, el cliente puede no querer tener
informe escrito. El cliente definirá la naturaleza y magnitud de la
366
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
documentación. El analista debe tener presente que todos los documentos,
correspondencia, archivos, notas, registros, etc. pueden ser requeridos en un
pleito y mostrados a un juez. El analista deberá seleccionar cuidadosamente
antes de desechar documentos preliminares o notas, aún cuando éstos ya hayan
sido totalmente incorporados a la versión final del informe.
Cuando seEsguarden
los materiales,
documentación
escrita debe
guardarse
también.
importante
establecer launa
cadena de custodia
y mostrar
que
ninguna persona no autorizada pueda haber tenido acceso al material. Es
aconsejable guardar el material en un recipiente etiquetado con un sello
inviolable. En casos particularmente conflictivos es preferible devolver el
material al cliente al terminar el examen. Sólo debe desecharse cuando esté
claro que ningún posible uso se requerirá del material en el futuro. No debe
desecharse el material sin que el cliente haya verificado, por escrito, que ningún
grupo lo necesite.
10.3 Aprender o no aprender de los errores, he aquí la cuestión
Confucio,
filósofo
chino positivista,
dijo hace
ya 10.1):
algunos miles de años que el
hombre tiene
tres maneras
de aprendizaje
(Figura
•
•
•
Primeramente, por meditación; éste es el más noble.
Segundo, por imitación; éste es el más fácil.
En tercer lugar, a través de la experiencia. Éste es el más amargo.
Figura 10.1 Maneras de aprendizaje
367
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Aplicado a riesgos de
de falla:
•
•
•
La meditación incluye técnicas sistemáticas como estudio de riesgo y
operatividad (HAZOP) y cálculos de diseño.
La imitación incluye aprender de la experiencia de otros, tal como
describen los códigos
códigos de diseño, códigos de práctica, libros e informes
de accidente.
La
experiencia se queda esperando hasta que hayamos tenido un
accidente propio.
Samuel Coleridge describió a la historia como “una linterna en la popa” que
ilumina los riesgos a través de los que la nave ya ha pasado en lugar de los que
se esconden delante. El experto en prevención
prevención de pérdidas
pérdidas Bill Doyle dec
decía
ía que
para cada problema complejo hay por lo menos una solución simple, creíble, y
errónea. Las herramientas definidas en este libro apuntan a asegurar que las
verdaderas causas de una falla queden esclarecidas, para poder así establecer
medidas adecuadas de prevención.
Desde su primer anuncio público, la ley de Murphy (discutida en el Capítulo 1)
que usualmente se resume como Lo que pueda salir mal saldrá mal, se ha esparcido
rápidamente a todas las culturas técnicas. El espíritu de la frase conlleva el
principio de diseño defensivo; el anticipar los errores que el usuario final
probablemente cometerá. El usuario final —el asistente de Murphy en la
versión histórica— podía escoger cómo conectar los cables. Cuando escogió
incorrectamente, los sensores no hicieron su trabajo apropiadamente. En la
mayor parte de la tecnología bien diseñada para el usuario, las conexiones
incorrectas se hacen difíciles. Por ejemplo, el disco de 3,5 pulgadas utilizado en
computadoras no cabría en la disquetera a menos que esté orientado
correctamente. En contraste, el disco de 5,25 pulgadas podía insertarse en una
variedad de orientaciones que podrían dañar el disco o la disquetera. Los discos
compactos permiten una orientación incorrecta —el disco puede ser insertado
al revés.
Una
acción correctiva debe como mínimo eliminar las causas inmediatas y se
deben eliminar o mitigar los efectos negativos de las causas raíz. Cuando
existen causas múltiples, hay presupuesto limitado, o es difícil de determinar lo
que debe corregirse:
•
•
•
368
El análisis cuantitativo puede utilizarse para determinar la contribución
total de cada causa al resultado indeseado.
Puede utilizarse un diagrama concurrente para colocar las causas en
orden de importancia.
Deben eliminarse las causas que contribuyan en mayor medida al
resultado indeseable, o deben
deben mitigarse
mitigarse los
los efectos
efectos negativos
negativos para
minimizar el riesgo.
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
En el Capítulo 7 abordamos algunas de las recomendaciones incluidas en la
norma DOE-NE-STD-1004-92, una guía para los análisis de causa raíz en la
industria nucleoeléctrica. Obviamente, esta Norma también se ocupa de definir
algunas pautas para asegurar que las medidas correctivas derivadas de un RCA
sean eficaces. Para ello, se especifica que los programas correctivos incluyan:
•
•
•
•
•
•
•
Énfasis
la identificación
y corrección
de losincluida
problemas
que puedan
afectar alendesempeño
de personas
y equipos,
la asignación
de
personal calificado, aplicación de medidas correctivas, y seguimiento
para verificar la eficacia de las acciones correctivas.
Desarrollo de procedimientos administrativos para identificar los
recursos y asignar las responsabilidades.
Desarrollo de un entorno de trabajo que exija la rendición de
cuentas y permita la corrección de obstáculos para el al
desempeño confiable de personas y equipos.
Desarrollo de un entorno de trabajo que fomente la
notificación voluntaria de deficiencias, errores u omisiones.
Programas de capacitación en RCA, capacitación del personal y niveles
gerenciales para reconocer y denunciar incidentes, incluyendo en
particular la identificación de problemas significativos y genéricos.
Desarrollo de programas para garantizar la pronta investigación tras un
incidente o la identificación de reducciones significativas de
rendimiento.
Adopción de un mecanismo de identificación
identificación y clasificación
clasificación de los
mecanismos y factores que generan los problemas, en particular
aquellos con implicaciones más globales.
Noon menciona en su libro, en forma bastante atractiva, cuatro razones
comunes por las que a veces fracasan las acciones correctivas derivadas de una
investigación de falla.
1: La cola menea al perro
Si se anticipa cuales serán las acciones correctivas más apetecibles para el cliente
o las autoridades, el investigador puede comenzar, más o menos
conscientemente, a dirigir el resto de la investigación para llegar a una
conclusión cuyas acciones de seguimiento sean las deseadas. Se busca evidencia
que apoye una causa que lleva a las acciones apetecibles, mientras que la
evidencia que podría falsear la causa favorecida no se busca activamente. Esta
evidencia podría incluso destituirse como irrelevante o no necesaria, o
simplemente ignorarse porque ya existe mucha evidencia para apoyar la causa
favorecida.
369
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
2: Lápiz de labios en un cadáver
En este caso, se ha investigado con éxito el evento de falla, la causa es apoyada
por numerosas pruebas, pero el investigador es consciente de que habrá más
consecuencias que sólo las acciones correctivas. Frente a este dilema, algunos
investigadores intentan minimizar los hallazgos negativos y destacar resultados
positivos.loEn
de utilizar
lenguaje
llano menos
y objetivamente
descriptivo
describir
quelugar
ocurrió,
se utiliza
un lenguaje
preciso y más
positivo.para
En
lugar de definir términos como deficiente o insuficiente para describir un
proceso, se utilizan frases como "menos adecuado".
Porque es un informe de causa del evento, se supone que su objetivo principal
es que sea un informe práctico, basado en documentar lo que salió mal e indica
cómo solucionarlo. Sin embargo, se introduce un objetivo secundario, que es
convencer al lector que el evento de falla y su causa subyacente no son tan
malos como el lector pudiera pensar.
Las acciones correctivas funcionan mejor cuando son concretas y específicas.
Una causa diluida o minimizada, sin embargo, a menudo corresponde a una
acción"giro"
correctiva
diluida o minimizada.
problemapueden
es que no
dándole
un
buen
al problema,
la gerencia Elo segundo
las autoridades
admitir
correctamente lo que hay que hacer para solucionar el problema. En otras
palabras, el informe logra convencer a su audiencia que el evento de falla no es
un problema grave que merece una atención seria.
3: Elemental, mi querido Watson, elemental
Casi nadie es capaz de resistir hacer conjeturas sobre qué causó una falla, de la
misma manera que aficionados al misterio a menudo intentan adivinar pistas
que identificaran al asesino al final de la historia. Sin duda, es divertido y quizás
incluso un punto de orgullo, si su estimación inicial resulta ser correcta. Sin
embargo, tales conjeturas pueden poner en peligro la integridad de una
investigación. En particular, cuando:
•
•
•
La conjetura la hace un directivo in
involucrado
volucrado en el proceso de
investigación.
La planta o instalación tiene una organización de estilo autoritario, con
cadena de mando.
La cultura de gestión premia al correcto y tiene una actitud de cero
defecto acerca de equivocarnos.
La deficiencia en este escenario es que no se buscará la falsación de la hipótesis
favorecida. Una vez que la causa se presume encontrada, se suspende la
recolección de evidencias importantes. ¿Por qué desperdiciar recursos cuando
ya tenemos la respuesta?
respuesta? El efecto de no ver lo obvio
obvio debido a estar
estar enfocado
370
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
a una tarea específica o actividad, como la famosa prueba del gorila en el campo
de baloncesto, a veces se denomina ceguera por desatención.
4: Dilución de la solución
Esta situación es usualmente peculiar para grandes organizaciones con muchos
procesos administrativos
que lastienen
departamentos
individuales
cuyas
prioridades
están alineadas con
prioridades
de la empresa.
Se completa
la
investigación de una condición de error, se identifican debidamente las causas,
se elabora un plan de acción y se presenta personal directivo, que aprueba y
apoya el plan y proporciona recursos suficientes para ejecutarlo. Pero los
mismos directores y departamentos quedaron a cargo de solucionar el problema
que habían creado en primer lugar, encararon la obra con la misma actitud
respecto de su importancia, y terminaron con el mismo resultado.
Para sortear con éxito este escollo, el cronograma del plan de acción correctiva
debería estar a cargo de una autoridad por encima de los implicados en la
ejecución de sus diversas partes. Esta persona debería tener la autoridad para
reunir recursos y establecer prioridades para asegurar que las partes del plan se
concreten
a tiempo y se coordinen adecuadamente, a la manera de un Gerente
de Proyecto.
10.4 Sobre el error humano
En la introducción de este libro partimos de la base que todas las causas
relacionadas con una falla son exclusivamente humanas. Aún las causas físicas
pueden considerarse resultado de un error humano, aunque este error se haya
cometido en otro momento y en otra empresa. Pero esto no significa que tenga
que culparse a una persona por haber sido causa de una falla.
El Proceso de Evaluación del Desempeño Humano (HPEP, por sus siglas en
inglés) es el método utilizado para evaluar cómo las acciones del pueblo
contribuyeron a la causa del evento. Por ejemplo, si un evento dependía de las
acciones de una persona para tener éxito, y en su lugar el evento fue
f ue un fracaso:
• ¿Alguien no actuó?
• ¿Alguien actuó pero tomó una decisión equivocada?
• ¿Estaba la persona fatigada,
f atigada, estresada o propensa a errores?
• ¿Fue la persona adecuadamente entrenada para actuar correctamente?
• ¿La persona tenía los conocimientos necesarios para tomar la decisión
correcta?
• ¿Estaba la persona distraída o algo le impidió actuar correctamente?
• ¿La persona tenía un motivo para promover la falla aumentando su
probabilidad, permitirla
permitirla por inacción o causarla?
• ¿Hay motivo, medios y oportunidad si la falla fue deliberada?
371
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
• ¿Era la persona físicamente capaz de actuar correctamente?
• ¿La persona tenía
t enía las herramientas o elementos correctos?
Muchos accidentes han sido adjudicados al error humano, normalmente de
alguien de baja jerarquía que no puede culpar a alguien más abajo. Los gerentes
y diseñadores parecieran no ser humanos o no cometer errores. En las
industriascompañías
de proceso
esta actitudahora
es ahora
mucho
común
que aantes.
Muchas
comprenden
que casi
cadamenos
accidente
se debe
una
dirección que falla y ya no se acepta al error humano como la causa de un
accidente. En los accidentes de la central nuclear en Chernóbil, el barco Herald
of Fee Enterprise y algunos accidentes del avión (en Alemania y Tenerife), los
de arriba culparon a los de abajo. Los pilotos de avión, aunque muy
experimentados, están en una posición similar a los operadores: no tienen nadie
debajo de ellos a quien culpar. El error humano no es útil cuando no lleva a la
acción, y tendemos a decir que alguien debe tener más cuidado. Nadie es
deliberadamente descuidado. Podemos dividirlos en grupos que requieren
acciones diferentes.
•
Errores: alguien no supo qué hacer (o, peor, pensó que sabía pero
estaba
equivocado).
Debemos
mejorarel trabajo.
el entrenamiento o las
instrucciones
o, mejor todavía,
simplificar
•
Violaciones: alguien sabía qué hacer pero decidió no hacerlo.
Debemos explicar por qué el trabajo debe hacerse de la manera
correcta, no vivimos en una sociedad en la que las personas seguirán las
reglas sólo porque les dicen que lo hagan. De vez en cuando debemos
verificar que los métodos correctos estén en uso. Pueden seguirse
métodos incorrectos durante meses o años antes de que un accidente
ocurra (como en el choque del tren de Clapharn Junction debido a
señales de luz defectuosas). ¿Cuántas veces ha excedido usted un límite
de velocidad sin ser detenido? Siempre es conveniente simplificar el
trabajo, si la manera segura de hacerlo es difícil, las personas
encontrarán una manera insegura.
•
Incompatibilidades (entre el trabajo y la habilidad de la persona):
alguien sabía qué hacer y pensó hacerlo pero estaba más allá de su
habilidad física o mental, quizás más allá de cualquier habilidad. En
algunos casos quizás debamos cambiar a la persona, pero es
normalmente mejor cambiar la situación de trabajo, es decir, el diseño
o el método de funcionamiento de la planta o equipos.
•
Distracciones y lapsos de atención: alguien sabía qué hacer, pensó
hacerlo y pudo hacerlo pero no lo hizo o lo hizo incorrectamente. Son
como las distracciones de la vida cotidiana, pero más serias en sus
consecuencias.
La naturaleza
humanapero
las hace
inevitables
poco loy
que podemos hacer
para prevenirlas,
podemos
reduciry laestensión
372
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
la distracción. Es normalmente más eficaz cambiar la situación de
trabajo para que haya menos oportunidades para los errores o para que
los errores tengan consecuencias menos serias.
Las clases de error humano pueden ilustrarse por un accidente que ocurrió
porque alguien no abrió (o cerró) una válvula. Podría ser un error: no supo que
se esperaba
cerrara
válvula.
Puede
haber
violación:o,supo
se
esperaba
queque
cerrara
la la
válvula
pero
decidió
quesido
erauna
innecesario
en unque
caso
extremo, no quiso molestarse. Puede haber sido una incompatibilidad: alguien
pensó cerrar la válvula pero encontró que era demasiado difícil. Finalmente, y
probablemente, podría ser un lapso de atención: alguien pensó cerrar la válvula
pero estaba ocupado o bajo tensión, y se le fue de la mente.
En el Apéndice H del documento DOE-NE-STD-1004-92, ya discutido en el
Capítulo 7, se realiza en mayor detalle una lista para la evaluación del
desempeño humano. Se definen cuatro etapas o pasos durante el desempeño de
una persona:
a) Detección de la información
b) Selección
Comprensión
la información
c)
de lade
acción
d) Ejecución de la acción
La operación, los procedimientos y la documentación, y la administración de
instalaciones y equipos son parte del entorno de trabajo que debe evaluarse para
cada uno de estos pasos. Son problemas comunes que deben considerarse:
•
•
•
•
Sobrecarga cognitiva
Sub-uso cognitivo/ aburrimiento
Intrusión de hábitos
Lapso de evocación de la memoria
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Desorientación
espacial
Ideas preconcebidas
Visión de túnel o falta de
de panorama
Desconocimiento
Hipótesis mal realizadas
Acciones reflejas / instintivas
instintivas
Pensamientos y acciones no coordinados
Insuficiente grado aplicado de atención
Métodos abreviados para completar el trabajo
Complacencia y falta de necesidad percibida de
preocupación
Confusión
Diagnóstico erróneo
•
•
373
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
•
•
Temor al fracaso y las
las consecuencias
Cansancio y fatiga
Donde requisitos de alto riesgo son muy sensibles a una no conformidad, debe
considerarse cada uno de los factores de rendimiento humano a fin de lograr un
alto grado de confiabilidad. Estos factores también deben considerarse en el
diseño y control del sistema y capacitación de operadores.
Si los accidentes son debidos a fallas de directivos para proporcionar el
entrenamiento adecuado, instrucción, vigilancia, equipo o métodos de
funcionamiento, ¿deben castigarse los gerentes después de un accidente? El
público, animado por la prensa, parece creer que debe haber alguien para culpar
de cada accidente. Sin embargo, los gerentes necesitan, como el resto de
nosotros, de entrenamiento, instrucciones y vigilancia y, como el resto de
nosotros, no siempre los consiguen. A menudo directores y superiores no los
proporcionan porque no comprenden que podrían hacer más para prevenir
accidentes manteniendo mejor a su personal directivo. La mayoría de las
escuelas de dirección no incluyen seguridad en sus planes de estudios y la
mayoría de los libros en dirección no la menciona.
10.5 Errores humanos a distintos niveles, el caso Chernóbil
1. El peor
p eor desastre atómico
La Central eléctrica nuclear V. I. Lenin se encontraba a 18 km de la ciudad de
Chernóbil, en Ucrania, Figura 10.2. El conocido evento, motivo de estas líneas,
es el accidente nuclear más grave y uno de los mayores desastres
medioambientales de la historia. La planta tenía cuatro reactores con capacidad
para producir 1000 MW cada uno; el accidente frustró la terminación de otros
dos reactores que estaban en construcción. El diseño de estos reactores no
cumplía los requisitos de seguridad que en esas fechas ya se imponían a todos
los reactores nucleares de uso civil. El más importante de los requisitos no
cumplidos es que carecía de un edificio de contención, esas esferas tan obvias
en las plantas nucleares.
Aquel día de abril de 1986, durante una prueba en la que se simulaba un corte
de suministro eléctrico, un aumento súbito de potencia en el reactor 4 de esta
central nuclear, produjo el sobrecalentamiento del núcleo del reactor nuclear, lo
que terminó provocando la explosión del hidrógeno acumulado en su interior.
La cantidad de materiales radiactivos y/o tóxicos liberados fue 500 veces mayor
al liberado por la bomba atómica en Hiroshima en 1945. Causó directamente la
muerte de 31 personas y forzó al gobierno de la Unión Soviética a la evacuación
de 116.000 personas provocando una alarma internacional al detectarse
radiactividad en 13 países de Europa.
374
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
Figura 10.2 La central nuclear de generación eléctrica Chernóbil
El comportamiento heroico de los bomberos durante las tres primeras horas
del accidente evitó que el fuego se extendiera al resto de la central. El primer
acercamiento en helicóptero evidenció la magnitud de lo ocurrido. Varios
helicópteros del ejército arrojaron sobre el núcleo 5.000 toneladas de una
mezcla de arena, arcilla, plomo, dolomita y boro absorbente de neutrones. Los
trabajos de contención sobre el reactor afectado evitaron una segunda
explosión de consecuencias dramáticas que podría haber dejado inhabitable a
toda Europa. Después del accidente, 600.000 personas iniciaron un proceso
masivo de descontaminación, contención y mitigación que desempeñaron
(liquidadores). La comunidad internacional financió el cierre definitivo de la
central, completado en diciembre de 2000, incluyendo un "sarcófago" para
aislar el reactor.
Un informe para la Agencia Internacional de Energía Atómica explicó las
causas del accidente. Como veremos, hubo una sucesión de errores humanos.
El equipo que operaba la central el sábado 26 de abril se propuso realizar una
prueba con la intención de aumentar la seguridad del reactor. Para ello debían
averiguar durante cuánto tiempo la turbina de vapor continuaría generando
energía eléctrica después de la pérdida de suministro de energía eléctrica
principal del reactor. Las bombas refrigerantes de emergencia, en caso de
avería, requerían de un mínimo de potencia para ponerse en marcha (hasta que
se arrancaran los generadores diesel) y los técnicos de la planta desconocían si,
una vez cortada la afluencia de vapor, la inercia de la turbina podía mantener las
bombas funcionando.
f uncionando.
Para realizar este experimento los técnicos no querían detener la reacción en
cadena en el reactor para evitar un fenómeno conocido como envenenamiento
375
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
por xenón, un gas muy absorbente de neutrones. Mientras el reactor está en
funcionamiento normal, se producen tantos neutrones que la absorción es
mínima, pero cuando la potencia es muy baja o el reactor se detiene, la cantidad
de Xe135 aumenta e impide la reacción en cadena por unos días. El reactor se
puede reiniciar recién cuando el Xe135 se desintegra.
Los operadores
las barras
de control
paralos
disminuir
del
reactor
hasta 30insertaron
MW. Con
un nivel
tan bajo,
sistemasla potencia
automáticos
detendrían el reactor y por esta razón los operadores desconectaron el sistema
de regulación de la potencia, el sistema refrigerante de emergencia del núcleo y
todos los mecanismos de apagado automático del reactor. Estas acciones, así
como la de sacar de línea el computador de la central que impedía las
operaciones prohibidas, constituyeron graves y múltiples violaciones del
Reglamento de Seguridad Nuclear de la Unión Soviética.
A 30 MW de potencia, para evitar el envenenamiento por xenón aumentaron la
potencia del reactor subiendo las barras de control, pero con el reactor a punto
de apagarse, los operadores retiraron manualmente demasiadas barras de
control. De las 170 barras de acero al boro que tenía el núcleo, las reglas de
seguridad
exigíansolamente
que hubiera
siempre
un mínimo
de 30 barras
abajo y en esta
ocasión dejaron
8. Con
los sistemas
de emergencia
desconectados,
el
reactor experimentó una subida de potencia extremadamente rápida que los
operadores no detectaron a tiempo.
Cuatro horas después de comenzar el experimento, en la sala de control
comenzaron a darse cuenta de que algo andaba mal. Cuando quisieron bajar de
nuevo las barras de control en modo de emergencia éstas no respondieron
debido a que ya estaban deformadas por el calor. Las desconectaron para
permitirles caer por gravedad. En pocos segundos la potencia aumentó casi 100
veces su valor nominal. El refrigerante de agua ligera no fue capaz de extraer la
enorme cantidad de calor generado y se vaporizó en una fracción de segundo
produciendo una explosión de vapor. Se oyeron fuertes ruidos y entonces se
produjo la explosión causada por la formación de una nube de hidrógeno
dentro del núcleo que hizo volar el techo de 100 toneladas del reactor
provocando un incendio en la planta y una gigantesca emisión de productos de
fisión a la atmósfera.
El reactor quedó destruido. En el núcleo, expuesto a la atmósfera, el grafito
ardió, el combustible y otros metales se convirtieron en una masa líquida
incandescente. La temperatura alcanzó los 2.500 C.
2. Niveles en la cadena de errores humanos
Si bien los efectos sobre las personas y el medio ambiente fueron enormes, nos
interesan aquí los aspectos relacionados con las causas, con la cadena de errores
humanos. El accidente de Chernóbil ocurrió en un período de decadencia de la
376
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
Unión Soviética, y se explica como consecuencia de la misma. Los gruesos
errores en los planes quinquenales y la excesiva rigidez del sistema económico
imperante generaron una acelerada decadencia de la economía. Por ejemplo,
diez años antes el comité central del PC había decidido no priorizar las
tecnologías de automatización industrial para no aumentar el desempleo
(curiosamente, la palabra “robot” proviene del término ruso para trabajo). Al
mismo tiempo,
pérdida ydevoluntad
poder endeuntoda
régimen
tan centralista
produjo
relajación
de la la
disciplina
la sociedad,
en particular
en una
los
países forzados a pertenecer a la unión, como era el caso de Ucrania.
Las causas humanas de la explosión fueron de tres tipos:
A. Errores de diseño.
B. Fallas de administración y errores cometidos por el staff de operación.
C. Falta de medios para mitigar el impacto.
A. Errores de diseño
diseño
El reactor RMMK era difícil de controlar a baja potencia y cualquier tendencia
hacia una reacción en cadena se amplificaba rápidamente. En otros reactores
cualquier
en la reacción
en cadena
se detiene
automáticamente
gracias al incremento
diseño del núcleo
del reactor.
La explosión
en Chernóbil
ocurrió
durante una prueba a baja potencia, es decir en un momento en el cual el
reactor estaba inestable. Los ingenieros nucleares rusos sabían de esta
inestabilidad. Las autoridades soviéticas habían sido advertidas antes del
accidente, pero las advertencias cayeron en oídos sordos.
En un reactor RBMK las barras de control se insertan l e n t a m e n t e. La
inserción completa requiere 20 segundos, mientras que en otros reactores toma
2 segundos. Demasiado lento para evitar el desbocamiento del núcleo cuando
opera en modo inestable. Además, las barras de control son de carburo de boro
con una cubierta de grafito. Cuando la barra de control se empieza a insertar, el
grafito aumenta la reactividad. Este fenómeno
f enómeno peligroso se había observado tres
años antes del incidente en un reactor similar en Lituania, a la sazón también
parte de la URSS.
El moderador neutrónico consiste de 600 toneladas de grafito. Cuando el
grafito muy caliente entra en contacto con el aire, estalla en llamas. En
Chernóbil, el fuego del grafito vaporizó los radioisótopos en el reactor y los
dispersó en la atmósfera junto con el humo. Los reactores RBMK no tienen un
sistema para filtrar los gases de escape ni una contención estructural.
B. Errores cometidos por el grupo de operación
Se identificaron seis errores humanos. Se violaron dos reglas permanentes de
operación: no operar el reactor por debajo de un nivel de potencia, y nunca
tener menos de treinta barras de control totalmente insertadas en el núcleo.
377
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Otro error consistió en no seguir el procedimiento de prueba, y se sacaron de
servicio deliberadamente tres mecanismos de seguridad: uno para la inyección
de agua de emergencia, y otros dos para el paro de emergencia.
Si no se hubiera cometido cualquiera de estos seis errores, la explosión no
habría ocurrido. ¿Pero por qué hicieron esto? Es evidente que los operadores
no fuerondeentrenados
adecuadamente
y noal comprendieron
la naturaleza
peligrosa
sus acciones.
Es fácil culpar
grupo de operación
por la
catástrofe, pero ellos estaban haciendo su trabajo con el entrenamiento que
habían recibido. Ese entrenamiento era insuficiente y totalmente inconsistente
con la falta de características de seguridad pasivas que tiene el diseño del reactor
RBMK. Al no saber mucho sobre el comportamiento del núcleo del reactor, los
operadores fueron incapaces de apreciar las implicaciones de las decisiones que
estaban tomando, y su situación era aún más peligrosa ya que la prueba se
estaba haciendo a baja potencia y en violación de órdenes vigentes.
Además, las instrucciones
instrucciones de operaci
operación,
ón, tanto las vigentes
vigentes como las
instrucciones específicas para la prueba, eran incompletas e imprecisas. Un
examen detallado de lo que pasó en las pocas horas y minutos que precedieron
a la explosión habría mostrado que ésta iba a ocurrir.
C. Falta de medios para mitigar el impacto
Los problemas por accidentes nucleares eran bien conocidos en la URSS desde
los años cincuenta. Los científicos soviéticos tenían excelentes conocimientos
en este campo, y habían hecho recomendaciones útiles a las autoridades que
desgraciadamente fueron igno
ignoradas.
radas. Los biólogos soviéticos
soviéticos sabían
sabían cómo se
fija el yodo a la tiroides y la importancia de la protección simple y eficaz
proporcionada por el yodo estable. Un plan de emergencia para protección en
caso de un accidente nuclear estaba desarrollado desde 1964.
Este plan incluía todas las medidas que se aceptan ahora universalmente:
quedarse dentro de casa con ventanas y puertas cerradas, distribuir yodo
estable, evacuar la población amenazada temporalmente, prohibir el consumo
de comida probablemente contaminada, mover el ganado a pasturas no
contaminadas, etc. Cada acción estaba acompañada por criterios para el nivel de
radioactividad que justificaba su aplicación. Este plan de emergencia fue
aprobado por el Ministro de Salud de la URSS el 18 de diciembre de 1970, más
de quince años antes de Chernóbil, pero se mantuvo como letra muerta. Un
nuevo plan se presentó en 1985 pero fue rechazado por el Ministro de
Ingeniería Nuclear en septiembre, sólo siete meses antes del accidente. La razón
aportada era que un accidente de semejante naturaleza y que requiriera estas
medidas era “imposible en la URSS”. En ausencia de un plan de emergencias,
las precauciones elementales alrededor de Chernóbil se implementaron con
retraso:
378
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
•
•
•
•
las instrucciones para quedarse dentro de casa con ventanas y puertas
cerradas (esto se hizo a las 36 horas);
la prohibición en el consumo de leche fresca, frutas y verduras
producidas localmente (después de 7 días);
la distribución de yodo estable (la oferta de EE.UU. fue rechazada);
la provisión de ropa de protección y respiradores a los bomberos y
obreros de la recuperación (por mucho tiempo indisponible).
Las precauciones elementales que se debieron haber tomado inmediatamente
luego de la falla eran desconocidas para las autoridades locales y para la
dirección de la central de potencia. No tenían plan de emergencia para
intervenir, ni yodo estable para administrar, ni los suministros médicos, ni la
ropa de protección, incluso ni los instrumentos para medir la radioactividad.
10.6 Imposiciones empresariales
empresariales y políticas sobre la toma de decisiones
Las fallas seguirán existiendo, porque seremos los humanos los que
manejaremos las plantas y, más importante, serán también humanos los
entornos sociales, económicos y políticos en los que las plantas deben operar.
La mayoría de los científicos y técnicos son honrados y abiertos. Otros, que
también son competentes y reconocidos como tales, están fuertemente
motivados por intereses personales, y su objetividad científica sucumbe ante su
falta de valor para defender lo que es técnicamente correcto. Gerentes y
directores aceptan o incluso animan al poder político en la toma de decisiones
cuestionables e incluso peligrosas. El forcejeo por influencias frecuentemente
reemplaza al debate tecnológico.
Vimos en el punto anterior que el conocimiento pertinente desarrollado por
científicos soviéticos no se trasladó a las comunidades médicas y nucleares de la
Unión Soviética. La conjunción de tecnología obsoleta y la débil disciplina
explica
medida expuso
las fallas
que provocaron
el accidente.
El
accidenteendegran
Chernóbil
a lahumanas
otrora orgullosa
Unión Soviética
(la que
había por ejemplo liderado el desarrollo espacial en los 60´) a la humillación
internacional. Aún cuando el reformista Gorbachov ya había reemplazado a
Chernenko (un burócrata cuyo mayor mérito era haber sido coetáneo de
Lenin), al frente del gobierno, los mandos medios decadentes estaban ávidos de
buscar chivos expiatorios. Así fue como el responsable de la planta fue preso.
No es de extrañar, si tenemos en cuenta la magnitud de los daños provocados,
y los antecedentes stalinistas del régimen. Si este libro ha dejado una impronta
en el lector, acordaremos en que esta venganza debía ser contraproducente. La
liberación del responsable de la planta, un año después de la caída de la unión
soviética, no resulta, por lo tanto, sorprendente.
En
la GuerradeFría,
que adel
veces
amenazó
en ponerse
caliente,
el aspecto
la
producción
plutonio
RBMK
impuso
un sentido
de urgencia
paradelos
379
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
soviéticos. Los científicos e ingenieros trabajaron para producir plutonio de
grado armamento, tanto y tan rápidamente como fuera posible. Del otro lado
de la contienda, en el “oeste”,
“oeste”, las estrategias eran en cierto modo diferentes.
diferentes. La
propaganda política, sin embargo, era apabullante en ambos lados, todo debía
contribuir al éxito de la “causa”.
En elelCapítulo
7 hablamos
del accidente
Challenger,
ocurrido de
el mismo
año
que
accidente
de Chernóbil.
En esedelmomento
hablamos
cuestiones
técnicas. Retomaremos ese caso ahora, para abordar algunos puntos que
muestran una similitud notable con el caso soviético.
Ronald Reagan, a la sazón presidente de EEUU, era un actor mediocre, pero un
comunicador excepcional. Dos años antes había propuesto que una profesora
de colegio formara parte de la tripulación, con el objeto de recuperar el interés
de la opinión pública por la conquista (americana) del espacio. Lo logró.
Millones de personas en todo el mundo estaban entusiasmadas con la
transmisión en vivo desde el transbordador Challenger. La profesora elegida
tenía la empatía para comunicarse con sus estudiantes. La labor de McAuliffe
consistiría en dar una clase de ciencia a los alumnos desde el espacio. La misión
51L,
como
otras antes,
antes, climatológicas
había sido aplazada
aplaadversas.
zada en varias
ocasiones
ocasiones
fallas
técnicas
y condiciones
Sin embargo,
estadebido
vez ela vuelo
debía partir de acuerdo a lo definido por los intereses propagandísticos del
gobierno. Reagan iba a usar la presencia de la maestra en el espacio en su
discurso anual del estado de la unión, que ya tenía fecha. Para entonces, el
Challenger debía estar en el espacio.
Recordemos que los aros de goma utilizados para sellar la junta del cohete
impulsor fallaron durante el despegue debido a las bajas temperaturas. ¿Cuánto
contribuyó la orden del jefe a que aquel frío martes los técnicos de la NASA
dieran el visto bueno para el despegue, con una temperatura ambiente menor
aún a la de otras ocasiones, en las que no se dudó en posponer el despegue?
Los mismos medios que habían idolatrado a la maestra, resumieron su versión
de la tragedia meses después: la tripulación del Challenger pagó con sus vidas la
indolencia de los técnicos de la NASA, que pasaron por alto las advertencias
sobre la vulnerabilidad al frío extremo de los aros de goma, señaladas por la
empresa fabricante de los cohetes impulsores. Analizar qué es peor para un
técnico involucrado
involucrado en una falla, la condena en
en una prisión
prisión en Siberia
Siberia o la
la
condena mediática americana, supera las capacidades del autor.
EJEMPLO 10.A Incidente en una planta de bombeo de agua
En este ejemplo veremos algunos resultados interesantes derivados del análisis
de las causas raíz de la salida de servicio de una estación de bombeo de agua
potable. La planta es antigua, con más de 50 años. Es subterránea, pues se ubica
bajo una plaza pública. Tiene 6 líneas de bombeo, en una sala de bombas,
380
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
ubicada entre la cisterna (tanque de almacenamiento de agua) y la sala de
comando; esta última levemente por encima del nivel de las bombas, ver F
Figura
igura
10.A1. Al momento del incidente se hallaba en proceso de cambios en las
válvulas de impulsión
impulsión internas.
internas.
Desde hacía unos 10 días al momento del incidente, la línea 3 se hallaba fuera
de
servicio.
La cañeríay de
de habían
esta bomba
se hallabaLadesarmada,
y las
válvulas
de impulsión
de salida
bloqueo
sido retiradas.
línea 3 fuera
de
servicio presentaba al momento del incidente las siguientes características:
•
•
•
•
La cañería y la válvula de bloqueo de impulsión se hallaban
desconectadas.
La válvula exclusa de impulsión se hallaba cerrada, pero sin brida ciega.
Los fusibles del comando eléctrico se hallaban colocados, y la llave
contadora del tablero eléctrico en contacto.
Tanto la sala de control como la sala de bombeo se hallan por debajo
del nivel de las líneas de distribución de agua.
•
Figura 10.A1 Ubicación de la fuga en la sala de bombeo,
la sala de comando y la cisterna
Para cubrir un mayor consumo en la noche del evento, las tres líneas habilitadas
(4, 5 y 6) se hallaban en operación, con válvulas estranguladas. Cerca de
medianoche se decidió sacar de servicio la línea 6, para lo cual se requería ir
cerrando paulatinamente la válvula de la línea 6, e ir abriendo simultáneamente
las estrangulaciones de las válvulas en las líneas 4 y 5, para compensar presión.
381
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
El accionamiento del botón de apertura de la válvula de impulsión de la línea 3
provocó la inyección de agua, proveniente del reflujo del agua impulsada por las
otras líneas y del volumen de las cañerías de distribución. Esta apertura
accidental se produjo probablemente cuando el operador fue instruido para
abrir completamente la estrangulación de la válvula homónima de la línea 4.
Ambos paneles de control se hallan a una corta distancia, en una misma mesa
de control, ver Figura 10.A2.
Figura 10.A2 Ubicación de las llaves en el panel de comando
Un aspecto saliente es que el operador no supo corregir a tiempo su error, aún
cuando vio la fuga de agua en la sala de bombas, y dispuso de más de 15
minutos hasta que el agua llegara al nivel de la sala de control. Su reacción fue
condicionada por un prejuicio, llamó a su superior, ubicado en otra planta de la
empresa, alertando
alertando sobre la
la “rotura de
de la cisterna”. En la Figura 10.A1 se
resalta la posición de la pared frontal de la cisterna, es probable que el agua
chocara contra esta pared y aparentara estar saliendo por alguna rajadura en la
misma. Como en estas condiciones habría riesgo cierto de inundación
inmediata,
los operadores
fueron
instruidos
para apagar
los motores
y cortar lay
energía. Luego
abandonaron
la sala
de control.
El agua
siguió fluyendo,
382
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
eventualmente inundó completamente la sala de bombas y la sala de control.
Los transformadores sufrieron sobrecargas, provocando el corte del suministro
de agua a una cantidad importante de personas por más de una semana.
La apertura de las llaves de alimentación y el retiro de los fusibles de los
circuitos para asegurar el seccionamiento debió haber sido mandatorio antes de
comenzar
cualquier
tarea de las
mantenimiento.
Sinelembargo,
vigente
indicaba
apertura
llaves, pero no
retiro de ellosprocedimiento
fusibles. Las
llaves no fueron abiertas o fueron cerradas antes del incidente. La válvula
desarmada se dejó cerrada pero no se especificaba colocarle una tapa. Tampoco
se colocaron carteles de advertencia del tipo “equipo fuera de servicio” o
similar.
Las causas raíz del incidente pueden ser agrupadas como:
•
•
•
Causas inherentes a la planta.
Causas inherentes a la capacitación del personal de operación y control.
Causas inherentes a las operaciones de mantenimiento y obras.
Las causas de un grupo están relacionadas con las causas de los otros. Así, una
mejora organizacional que apunte a poner en valor el lugar de trabajo y prestigie
la actividad redundará además en mejor disposición del personal, que estará en
mejores condiciones para aceptar una fuerte acción de capacitación. El ingreso
en un círculo virtuoso de mejoras redundará además en una mejora en el clima
organizacional.
Las mejoras en los sistemas de control y software implementados luego del
incidente y los esfuerzos posteriores en la automatización de los procesos y la
operación, más la capacitación y actualización del personal, permitieron
eliminar una parte importante de las causas raíz de este incidente. También se
desarrollaron planes de contingencia ante emergencias en las plantas de
bombeo, en conjunto
los responsables
de las áreas
mantenimiento.
Por su con
ubicación
en un lugar público,
la saladedeoperación
control noy
pudo elevarse, y quedar así a salvo de cualquier consecuencia del evento que los
operadores deban controlar.
Las conclusiones del RCA indican que las acciones más promisorias son
aquellas dirigidas a mejorar el clima laboral y la motivación del personal. La
empresa operadora cuenta con personal de carrera, y personal “político” a
niveles gerenciales, designado por diferentes administraciones a lo largo de su
historia. Esta situación ha generado en la empresa una mala relación entre sus
diferentes partes. Las autoridades a cargo al momento de la falla fueron vistas
con recelo por los gerentes más antiguos, los que a su vez no recibieron la
suficiente colaboración de sus subordinados. Estos problemas se sumaron a la
habitual
divisióne ingeniería.
vertical entre las tres componentes de la empresa: operación,
mantenimiento
383
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Al ser un servicio público muy visible, el evento fue magnificado por los
medios de prensa. Afortunadamente en este caso, el rápido abastecimiento de
agua a los afectados mediante fuentes alternativas terminó resultando en una
mejora de la imagen de la empresa.
10.7 Las reglas se relajan: el caso del Pozo Macondo
Hemos visto que los errores del pasado (propios y ajenos) nos han hecho
aprender. Es sabido que la memoria de cada persona es selectiva; la mayoría
terminamos recordando sólo lo bueno de cualquier etapa de nuestras vidas o de
los lugares donde vivimos, por ejemplo. A pesar de nuestros mejores esfuerzos,
también pasa lo mismo con las organizaciones: las medidas para el
funcionamiento seguro de los equipos y procesos operativos suelen ser víctimas
de su propio éxito. La ausencia de accidentes va horadando la percepción del
riesgo, se olvidan las malas experiencias y se toman riesgos cada vez mayores.
En la primavera de 2010, el reventón de pozos de petróleo que condujo a la
explosión en el equipo de perforación Deepwater Horizon, su hundimiento y la
posterior
fuga dea petróleo
el Golfo deque
México
tomó a todos
sorpresa.
En parte debido
que pocosenrecordaban
algo parecido
hubiesepor
ocurrido
en
la zona. La falla provocó la muerte de 11 trabajadores, y el vertido de unos mil
millones de litros de petróleo al mar. Debido a la posición de la plataforma en
el golfo de México, compartido por Estados Unidos, Cuba y México, el
derrame de crudo pudo extenderse por una zona extremadamente amplia. Se
calcula que las operaciones de limpieza consiguieron eliminar o recoger el 75%
del crudo liberado. El resto se fue degradando rápidamente, aparentemente
gracias a que las bacterias que consumen petróleo son numerosas en el golfo de
México, con lo que la afectación a los organismos marinos y las economías de la
región fue menor a la esperada.
Deepwater Horizon era una plataforma petrolífera semisumergible de
posicionamiento dinámico de aguas ultra-profundas construida en 2001, Figura
10.3.a. El propósito de la torre era perforar pozos petrolíferos en el subsuelo
marino, trasladándose de un lugar a otro conforme se requiriera. Podía alojar
una tripulación de hasta 130 miembros, y contaba con "e-drill", un sistema de
monitoreo que permitía recibir información en tiempo real del proceso de
perforación de la torre, e información sobre mantenimiento y errores. Una vez
que se terminaba de perforar, la extracción era realizada por otro equipo. En
septiembre de 2009, Deepwater Horizon perforó el pozo petrolero más
profundo de la historia, en el yacimiento Tiber, con una profundidad de más de
10.000 metros, en 1.250 m de agua.
Deepwater Horizon se hundió en abril de 2010 cuando trabajaba en el Cañón
Misisipi de BP, en el bloque conocido como prospecto Macondo. Su
hundimiento fue resultado de una explosión que había tenido lugar dos días
384
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
antes, y provocó uno de los más importantes derrames de petróleo, Figura
10.3.b. El derrame de petróleo, mezclado con una pequeña parte de metano, no
pudo controlarse debido a la dificultad de sellar la fuga en la tubería del fondo
marino. La foto subacuática de la Figura 10.3.c muestra la magnitud del escape,
luego de uno de los varios intentos infructuosos de taponamiento.
Los varios Primero
intentos sedeprobó
sellarcon
la una
tubería
del pozo
que producía
fracasaron.
campana
de hierro,
y luego, yaela derrame
fines de
mayo, con la inyección de lodo pesado y cemento, procedimiento llamado “top
kill”. En julio, BP colocó una nueva campana para detener el escape.
c
a
b
Figura 10.3 (a) Deepwater Horizon (b) Incendio de la plataforma
(c) Posterior fuga incontrolada
En el "top kill" se bombean lodos (líquidos
( líquidos de perforación) pesados en el pozo,
hasta que el peso del líquido supera la presión del petróleo. El “junk shot”
implica inyectar objetos como pelotas de golf para obstruir el mecanismo de
prevención de reventón, en la pila de válvulas
válvulas en la parte superior del pozo. BP
insertó un tubo de más de un Km. de largo en el tubo vertical roto para desviar
una
parte ladelcabeza
petróleo
un barco
de perforación
en la superficie,
1.500
m sobre
delapozo.
El tubo
desvió alrededor
de 22.000a unos
barriles
de
385
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
petróleo durante nueve días, pero se cerró una vez que comenzó la operación
"top kill". BP construyó una cúpula de contención de cuatro pisos, destinada al
control de la mayor de las fugas. En la cúpula, los equipos descubrieron que la
apertura se obstruía con una mezcla de hielo de agua y gas. La cúpula se colocó
sobre el fondo del mar a 650 metros de distancia de la fuga. BP realizó la
perforación de pozos de alivio para conectar la fuga. Cada vez que uno de los
nuevos pozos
cruza
con el pozo existente, se inyecta lodo de perforación
pesado,
seguidosepor
cemento.
Finalmente en agosto BP logró sellar el Macondo con el "static kill". El método
es similar al "top kill" que no había funcionado en junio. Pero esta vez los
ingenieros bombearon lodo más despacio
despacio y a menor presión debido
debido a la nueva
campana sobre el pozo, que había cortado el flujo de petróleo. Después de la
"static kill", BP procedió a sellar el pozo también desde el fondo.
La investigación interna de BP del incidente de Macondo atribuye muchas de
las causas raíz a temas que podrían catalogarse como problemas en la
calidad. Los estudios revelaron fallas mecánicas, fallas de diseño y en los
controles operacionales, en la gestión de los contratistas y en decisiones por
parte
personal
técnico. Aquí
nos enfocaremos
ensistema
dos causas
fundamentales:
la quedel
provocó
la erupción
del petróleo,
y la falla del
de contención.
La causa de la erupción del petróleo está relacionada con… errores humanos,
claro. El proceso de cementación del pozo, una vez concluido, permite
abandonarlo en forma segura, hasta que se instala un nuevo sistema, para
producción. Verificar la correcta cementación involucra una prueba de
estanqueidad, en la que se debe asegurar que la presión ejercida por el gas y
petróleo no aumente durante un cierto tiempo. Este tiempo no llego a
verificarse, y el responsable de la prueba dio el visto bueno sin que se
cumplieran todos los requisitos para asegurar su éxito. Esta decisión, vale decir,
se tomó en el contexto de una gran presión para cumplir el cronograma, en un
cambio de turnos y por personal ya exhausto. El 20 de abril los responsables
aprobaron el reemplazado del lodo por agua de mar, que no era suficientemente
pesada para prevenir que el gas que había estado colándose dentro del pozo
finalmente alcanzara la plataforma
.
La forma prevista para detener la fuga es la activación del preventor de
reventón o “blowout preventer”, ver Figura 10.4. Es una válvula en la cabeza
del pozo, en el fondo marino, con mordazas diseñadas para colapsar la tubería y
sellar el pozo en caso de emergencia. Sin embargo, varios esfuerzos para activar
el mecanismo fracasaron. Una barrera excedida.
386
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
Figura 10.4 La válvula de prevención de reventón o blowout preventer
Es notable la cantidad de explicaciones que se presentaron para la falla de la
válvula. Según la investigación del congreso de EEUU, la válvula tenía una fuga
en el sistema hidráulico y una batería fallada. Según el vicepresidente de BP a
cargo de las perforaciones, el blowout preventer no estaba conectado a la
tubería correcta. Se evaluó como posible que la explosión hubiera cortado la
línea de comunicación entre la torre y la unidad de control del blowout
preventer en el fondo marino. Se dijo además que el blowout preventer no se
correspondía con el especificado por Transocean (operador de la plataforma),
los brazos de corte no estaban diseñados para la resistencia de la tubería. En
realidad, lo que ocurrió es que las mordazas funcionaron y seccionaron el tubo.
Pero el tubo no estaba en la zona media de la mordaza, sino en un extremo, y la
mordaza no llegó a aplastarlo y sellarlo completamente. La excentricidad del
tubo pudo deberse a pandeo de la tubería, cuando fue comprimida por las
fuerzas producidas por el escape de gas y petróleo.
Ha habido antecedentes de fallas similares en pozos petroleros, que ahora
vuelven a la luz. Tres décadas antes, en 1979, un equipo de perforación
semisumergible perforaba el pozo exploratorio Ixtoc I a poco más de 50 m de
agua y experimentó una pérdida de presión confinada, cuya posterior explosión
generó fugas de petróleo por casi un año. En total, se derramaron más de tres
millones de barriles (600 millones de litros) de petróleo crudo en las aguas del
Golfo
de Méxicola y industria
sus alrededores.
Inmediatamente,
y como con
consecuencia
de
ese accidente,
petrolera
comenzó a operar
una mayor
387
Análisis de fallas – Fundamentos
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ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
conciencia de la posibilidad de fallas en pozos y así tomó precauciones
adicionales y más cuidado con las operaciones.
Sin embargo, con el tiempo y con un crecimiento récord de perforaciones
exitosas de petróleo en las aguas del Golfo, las operaciones en plataformas y
pozos petroleros se descuidaron, y esto produjo las bases para la explosión de
Deepwater
Horizon y la posterior
catástrofe ambiental.
casualidad
estos
dos acontecimientos
desafortunados
ocurrieran No
confuetreinta
años que
de
diferencia, lo que denota el lapso de una generación de ingeniería y de memoria
tecnológica para cualquier industria. Durante tal período, podemos esperar
períodos de éxito interrumpidos por fallas, y dependiendo del momento en el
que ingresa, un joven ingeniero puede ser más o menos consciente. Esta
conciencia tiende a dominar el diseño y la conducta operacional durante un
período, pero con el tiempo un paradigma de éxito tiende a suprimir un
paradigma de fracaso y la atmósfera de exceso de confianza, complacencia,
relajación y arrogancia prevalece hasta que una nueva falla proporciona un
nuevo llamado de atención.
Más aún, esta falla resulta particularmente oportuna. Para el momento en que
ocurrió
el derrame en en
Macondo,
estaba en
porvigencia
levantarenla prohibición
de
nuevas exploraciones
el golfoEEUU
de México,
ese momento.
Inmediatamente luego de la explosión, esta prohibición fue nuevamente
revisada. El departamento del interior de EEUU ordenó una moratoria de seis
meses para nuevas
nuevas perforaciones
perforaciones en más de 150 m de agua. La moratoria
suspendió los trabajos en 33 pozos, y fue luego revocada por la justicia.
Finalmente, la prohibición fue levantada, para beneplácito de casi todos; tanto
de los consumidores de energía en los países desarrollados como de otros más
frugales, habitantes de aquellos países con grandes reservas de petróleo que
podrían ser los involuntarios
involuntarios anfitriones de próximas aventuras óleo-militares.
10.8 Subestimación de consecuencias de eventos naturales, el caso
Fukushima
Decíamos en el Capítulo 1 que los desastres naturales (terremotos,
inundaciones, etc.), o “actos de Dios” no pueden considerarse una falla
humana. Pero las consecuencias de estos eventos naturales sobre el
componente que haya fallado sí son errores humanos. Una falla significa que
alguien no estimó adecuadamente la probabilidad de tal evento, o su intensidad,
y no realizó los ajustes necesarios al diseño y la construcción del componente o
estructura. Veremos a continuación un ejemplo reciente que ilustra en forma
notablemente dramática esta situación.
La central nuclear Fukushima I era un conjunto de seis reactores nucleares
situado en la villa de Ōkuma, con una potencia total de 4,7 GW, haciendo de
Fukushima I una de las 25 mayores centrales nucleares del mundo. Fukushima
388
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
II fue el primer reactor nuclear construido y gestionado independientemente
por la compañía japonesa Tepco. A 11 km se encuentra la central nuclear
Fukushima III. La planta fue diseñada por General Electric y fue conectada a la
red en 1971.
Cuarenta años después, en marzo de 2011, tras un gigantesco terremoto de
escala
y posterior
tsunami,
central sufrió
por 1,
lo 2que
en
un 9radio
de 20 km
fueronlaevacuadas.
Ese graves
día losdaños
reactores
y 3personas
estaban
operando mientras que las unidades 4, 5 y 6 estaban en corte por una
inspección periódica. Cuando se detectó el terremoto, las unidades 1, 2 y 3 se
apagaron automáticamente y paró la producción de electricidad. Normalmente
los reactores pueden usar la electricidad del tendido eléctrico externo para
enfriamiento y cuarto de control, pero la red fue dañada por el terremoto. Los
motores diesel de emergencia para la generación de electricidad comenzaron a
funcionar normalmente, pero se detuvieron abruptamente con la llegada del
tsunami que siguió al terremoto.
Se declaró el estado de emergencia en la central nuclear a causa de la falla de los
sistemas de refrigeración. Se detectó una alta presión de vapor, y la empresa
liberó
de ese vapor
Tres díasdedespués
una en
nueva
explosión
sacudióparte
el complejo
debidoradiactivo.
a la acumulación
hidrógeno
el reactor
III.
Otra explosión ocurrió al día siguiente en el reactor II.
En abril, el accidente de Fukushima fue elevado por el gobierno japonés al nivel
7 en la escala de accidentes nucleares, igualándose en gravedad al de Chernóbil.
Todo esto tras sucesivas explosiones, subidas dramáticas de nivel de radiación
en la zona colindante, confirmada fusión parcial de al menos uno de los
núcleos, fuga de agua radiactiva al mar y sucesivos intentos fallidos por bajar la
temperatura en los reactores comprometidos.
El aspecto más relevante de esta falla es, sin lugar a dudas, el dramatismo de sus
consecuencias. No tanto por los daños a las personas y medio ambiente
directamente relacionados con el incidente, sino por sus consecuencias
socioeconómicas a mediano plazo.
Las plantas nucleares se construyeron cuando Japón creía en un futuro de
propulsión nuclear. Japón fue el tercer mayor productor de energía nuclear, que
abastecía el 30% de sus (enormes) necesidades de energía. Llegaron a haber 54
reactores en operación. Por sus necesidades de agua para refrigeración, éstos
están construidos a lo largo de vastas extensiones de la costa. Estos reactores
alimentan las líneas de electricidad de todo el país, que alimentan el corazón
económico de Tokio y otras ciudades en todo el país.
389
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 10.5 La central nuclear de generación eléctrica Fukushima
Japón es un país fuertemente sísmico. Durante el diseño de las centrales
nucleoeléctricas, 50 años atrás, obviamente se consideró el impacto de sismos
fuertes, pero no se tuvo en cuenta la posibilidad de la combinación de un
violento sismo y la posterior ocurrencia de un tsunami, con las inevitables
inundaciones en las zonas costeras, donde se hallan todas las centrales. El
incidente
a cerrar
todas las
susceptiblesen a Fukushima
accidentes obligó
en casoal deGobierno
una nueva
combinación
de centrales
sismo y
tsunami. Dentro de este plan, se debieron cerrar…todas.
En mayo 2012, Japón cerró Kashiwazaki-Kariwa, la última central nuclear
todavía en funcionamiento. Dentro del centro de visitantes de la planta estaba
aún en exhibición el certificado del libro de récords Guinness: era la planta
nuclear de energía eléctrica de mayor capacidad en el mundo. "Hemos
coexistido con las plantas de energía nuclear convencidos de que eran seguras,"
decía el alcalde local durante el cierre de la central, "pero con el accidente de
Fukushima ya no podemos dar por sentado que son seguras. Nuestra confianza
para con el Gobierno y los operadores de las plantas ha sido destrozada."
Al momento de las correcciones finales de este libro, Japón, otrora fuertemente
dependiente de la energía nuclear, enfrenta un futuro cercano con serios
390
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
problemas energéticos. El país, fuertemente afectado por un ciclo económico
recesivo que lleva más de diez años y las consecuencias del desastre natural de
2011, debe ahora aumentar las importaciones de LNG y petróleo. El costo para
la economía es alto. El dramático aumento en las importaciones de
combustibles ayudó a empujar al país en 2011 al mayor déficit comercial de su
historia. En Kashiwazaki-Kariwa y otras centrales se están construyendo
grandes muros
contención
que, se que
espera,
suficientes
paraelresistir
cualquier
posibledetsunami.
Es probable
paraserán
el momento
en que
lector
lea estas líneas, Japón haya recuperado gran parte de su capacidad de
generación nucleoeléctrica.
10.9 Gerenciamiento
Gerenciamiento de plantas y equipos antiguos
La prevención más eficaz es aquella puesta en práctica mucho antes de la
posible ocurrencia
ocurrencia de un evento. Kletz resume una serie de técnicas de
prevención, basadas en el estudio de causas de un gran número de fallas en
plantas industriales:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Evite
inventarios
inventarios
grandes de materiales
materiales riesgosos por intensificación,
intensificación,
substitución
o atenuación.
Inspeccione completamente durante y después de la construcción.
construcción.
Instale detectores de gas para que se descubran fugas rápidamente.
Esto no elimina la necesidad de giras regulares de inspección por
operadores. Incluso en plantas con detectores de gas, la mitad las fugas
que ocurren es descubierta por hombres.
Advierta a las personas cuando una fuga ocurre. Aquellos que no son
exigidos para tratar con la fuga deben dejar el área, por una ruta segura.
Aísle la fuga por medio de las válvulas de aislamiento de emergencia
remotamente operadas.
Disperse la fuga por construcción abierta complementada, si es
necesario, por vapor o cortinas de agua.
Quite fuentes conocidas de ignición. Aunque ésta puede parecer una
línea fuerte de defensa, realmente es la más débil. Se necesita una
energía muy pequeña para encender una fuga de vapor inflamable y
aire.
Proteja contra los efectos de la fuga:
Fuego: aislamiento y rocío de agua.
Explosión: fortalecimiento de edificios, distancia (evite
desarrollo cercano).
Toxicidad: distancia
distancia (evite concentraciones
concentraciones de personas).
personas).
Proporcione medios para la emergencia.
391
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Gerenciamiento
Gerenciamie
nto de modificaciones de la planta
Muchos de los accidentes ocurrieron porque las modificaciones de planta y
procesos tenían efectos indeseables imprevistos. Las personas que tratan con
sistemas complejos tienden a pensar en línea recta. Ellos piensan sobre los
efectos de sus acciones en el camino a la meta inmediata pero están
desprevenidos de los efectos laterales.
Comprobación e inspección del equipo de protección
Muchos de los accidentes no habrían ocurrido si se hubieran mantenido los
equipos de protección en buen estado. Para prevenir accidentes similares en el
futuro necesitamos:
(1) Un programa de educación para convencer a todos los niveles de que los
equipos de seguridad deben mantenerse en buen estado y que no es un extra
optativo que pueda descuidarse bajo la presión del trabajo. Es necesario un
programa continuado e involucrar a las personas en discusiones regulares de
accidentes que han ocurrido. El entrenamiento en prevención de pérdidas es
particularmente importante durante los años formativos de un estudiante.
(2) Un programa de auditoría para asegurar que los equipos están en
condiciones. Muchos equipos deben probarse a intervalos regulares:
instrumentos mensualmente, válvulas de alivio anualmente. Los gerentes deben
asegurar auditorías ocasionale
ocasionales.
s.
Diseños amistosos para el usuario
Amistoso es un término utilizado en el ámbito de las computadoras para
describir plantas que toleren salidas del funcionamiento o mantenimiento
ideales sin que ocurran accidentes. Así, Bhopal no habría ocurrido si no hubiera
habido un almacenamiento grande e innecesario de MIC. Lo que no está, no
fuga ni explota.
Debemos guardar reservas de materiales riesgosos al mínimo (intensificación),
usar materiales más seguros (substitución) o usar los materiales riesgosos bajo
condiciones no riesgosas (atenuación).
Los reactores nucleares de Three Miles Island y Chernóbil eran menos
amistosos que los reactores refrigerados por gas y dieron a los operadores
menos tiempo para responder. Chernóbil era particularmente hostil pues tenía
un coeficiente de poder positivo (cuando se ponía más caliente, la producción
aumentaba de golpe).
La cubierta del propulsor del cohete fallado en el transbordador espacial
Challenger no se hizo en un tramo sino en varios segmentos con juntas entre
392
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
ellos. El O-ring en las juntas era un punto débil y falló. El avión con turbinas
traseras como el Tridente es más proclive a entrar en pérdida que aquellos con
las turbinas montadas en las alas. El cierre de la puerta de carga en los DC 10,
aún después de una modificación, era hostil pues alguien tenía que mirar a
través de un agujero para asegurarse que estaba correctamente cerrado.
Estudios de riesgo y operatividad (HAZOP):
(HAZOP): una linterna en la proa
Muchos de los accidentes de la literatura muestran la necesidad del examen
crítico del diseño a través de un estudio de riesgo y operatividad (HAZOP) o
técnicas similares. Se necesitan dos estudios tempranos, uno en la fase del
análisis conceptual o comercial cuando se decide qué proceso usar y dónde la
planta será localizada, y otro en la fase del diseño. Un estudio conceptual en
Bhopal, por ejemplo, podría haber discutido el producto a fabricar (otros
insecticidas están disponibles), el proceso a utilizar y la necesidad para acumular
productos intermedios.
Es mejor iluminar los riesgos después de haberlos atravesado, que no
iluminarlos en absoluto cuando podemos pasar de nuevo, pero es mejor todavía
iluminar
que quedan
Como el camaleón, necesitamos
guardar unlosojoriesgos
en el pasado
y uno endelante.
el futuro.
Mejor gerencia: el peligro de la ignorancia directiva y no aprender del
pasado
En muchos accidentes, como en las plantas químicas en Flixborough y Bhopal,
las centrales nucleares
nucleares de Isla
Isla de las Tres Millas y Chernóbil
Chernóbil y el accidente
accidente de
ferrocarril en Clapham Junction, la falta de entrenamiento fue un factor
significante. Los operadores no sólo necesitan entrenamiento en sus deberes,
sino también una comprensión del proceso y los riesgos, para que puedan
manejar problemas no previstos por las instrucciones en éstos y otros casos.
Un rasgo común en todos los casos ha sido el fracaso para aprender de la
experiencia pasada. A veces el conocimiento no se distribuyó a aquellos que
necesitaron saberlo. A veces la compañía o la planta, incluso los gerentes
individuales, no aprendieron. Las personas involucradas en un accidente no se
olvidan, pero luego de un tiempo otros entran en su lugar. Las organizaciones,
por ende, no tienen ninguna memoria.
Necesitamos un programa continuado. De vez en cuando debemos discutir los
accidentes pasados. Describamos accidentes viejos y recientes en boletines y
reuniones de seguridad.
Incluyamos en las normas y códigos de práctica notas sobre los accidentes que
llevaron a las recomendaciones. El uso de sistemas de almacenamiento y
recuperación de información permite ahora mejorar el acceso a informes sobre
accidentes y recomendaciones.
393
Análisis de fallas – Fundamentos
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aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Consistentemente, una recomendación poco seguida es el registro de un “libro
negro” o “libro de memoria” en cada sala de mando, y un fichero de informes
sobre accidentes de interés técnico que han ocurrido, incluyendo accidentes en
otras plantas. El libro negro debe ser lectura obligatoria para los que recién
ingresan. Los más antiguos deben zambullirse en él para refrescar sus recuerdos
de vez en cuando.
La cultura o clima de una compañía afecta el comportamiento del personal, la
acción que toman para prevenir los accidentes y su entusiasmo. Compañías
diferentes, incluso plantas diferentes dentro de una misma compañía, pueden
tener culturas diferentes. La cultura depende del entrenamiento del personal en
la compañía y durante sus años formativos como los estudiantes. Cambiar la
cultura es difícil, y toma tiempo, pero puede hacerse.
Cada accidente es diferente y complejo. Cada accidente requiere acción a varios
niveles: acción para prevenir los eventos que ocurrieron inmediatamente de
antemano, acción para quitar el riesgo y acción para mejorar el sistema de
dirección. La primera y tercera son normalmente posibles en cada planta, pero
quitar el riesgo es a menudo difícil en una planta antigua.
¿Cuán lejos debemos ir
modernas?
para adecuar
adecuar plantas viejas a las normas
No hay respuesta simple a la pregunta. Varios accidentes muestran lo que
puede pasar cuando buenos procedimientos no compensan un pobre diseño.
Para resumir esta sección: si un cambio es casi tan fácil de hacer en una planta
vieja como en una nueva, entonces debe hacerse, a menos que la planta deba
cerrarse o haya otra manera de lograr el mismo objetivo.
No debemos aceptar mayor riesgo a operadores o al público en una planta vieja
que en una nueva, pero los métodos para obtener el estándar pueden ser
diferentes en ambos casos. Podemos por ejemplo mejorar el software. Las
plantas más modernas consiguen a menudo los mejores gerentes y operadores.
Las plantas nuevas tienen glamour, y a las personas les gusta que las transfieran
ahí, aunque sean las plantas viejas las que tienen mayor dependencia de normas
altas de funcionamiento y dirección.
Cuando se diseñan nuevas normas para prevenir daño o pérdida de producción
y no están referidas a la lesión de personas, es legítimo dejar plantas viejas
inalteradas, pues depende del equilibrio entre probabilidades y costos. Aquí se
requieren estudios de Riesgo y Operatividad.
394
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
10.10 Causas y consecuencias del accidente más famoso
A un siglo de su ocurrencia, no deberíamos concluir este capítulo sin alguna
mención a las consecuencias del incidente que más trascendencia ha tenido, al
menos a nivel del ciudadano común: el hundimiento del transatlántico Titanic,
en la madrugada del 15 de abril de 1912. El que chocó con un iceberg en el
Atlántico
Norte cuando
llegando
Nueva York
en su viaje inaugural
desde Southampton.
Ibanestaba
a bordo
2224a personas
y 1517murieron.
Era un
buque modernísimo en su tiempo, construido con la más avanzada tecnología.
Dejando de lado la pérdida de cientos de vidas humanas, el punto más
interesante es, también, el más asombroso: el hundimiento del Titanic fue un
buen negocio. Los ingresos obtenidos por las ventas de obras literarias y
cinematográficas han superado ampliamente las pérdidas económicas que su
hundimiento ocasionó en su momento. Las circunstancias del hundimiento han
formado parte de los mitos y leyendas de varias generaciones. A tal punto, que
aún cuando ya tenemos suficiente evidencia de las causas raíz de su
hundimiento, el público no se ha mostrado interesado en informarse. Es, a
estas alturas, una cuestión casi religiosa.
Los abundantes estudios que se han hecho, desde diferentes enfoques y a partir
del rescate de muestras en su sitio de hundimiento a más de 4.000 m de
profundidad, aportaron información sobre el accidente. “O debería sorprender
que no hubo una causa aislada para el hundimiento del Titanic; sino una cadena
de circunstancias”. El escritor científico R. Corfield aporta datos interesantes
sobre los defectos de la construcción y problemas de materiales del famoso
transatlántico. Sí, se hundió tras el choque con un iceberg, pero ¿por qué se
hundió tan rápidamente? El Titanic fue uno de los primeros buques que tenía
mamparos formando compartimentos transversales sellados para impedir que
una vía de agua pudiera inundar todo el casco. Esos compartimentos estancos
incluso se cerraban con compuertas que se operaban electrónicamente desde el
puente en caso de emergencia. El casco estaba hecho de planchas de acero
unidas con tres millones de remaches de acero y de hierro.
Los investigadores modernos han descubierto que los remaches del casco no
eran todos iguales, no tenían la misma composición y, además, no se colocaron
todos de la misma forma. Los de la proa y los de la popa no eran de la mejor
calidad, como los del centro del buque. Además, se habían colocado
manualmente ya que el sistema de prensa hidráulica utilizado para colocar los
de las tres quintas partes del buque, en el centro, no se podía utilizar con la
tecnología de la época donde la curvatura del casco era más pronunciada. Estos
remaches, además, tenían más impurezas, haciéndolos especialmente
vulnerables al esfuerzo
esfuerzo de corte.
395
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
Figura 10.6 El Titanic durante su construcción en el astillero de Belfast
Los ensayos en laboratorio han mostrado que ante un impacto como el
ocurrido contra el iceberg, esos remaches no resistieron la carga, por lo que se
abrieron las planchas del casco, permitiendo la entrada masiva de agua en los
compartimentos internos. Según el diseño, si más de 4 de los 16
compartimentos estancos resultaban inundados, el buque estaba condenado a
hundirse, y se inundaron seis, como constató el diseñador del transatlántico,
Thomas Andrews, cuando bajó con el capitán a ver los desperfectos causados
por el choque con el iceberg.
Corfield apunta otro elemento fatídico conjurado contra el Titanic, esta vez
climático. Cuando hace demasiado calor en el Caribe, la Corriente del Golfo
reforzada favorece la formación de un muro de hielo, de icebergs, en el
Atlántico Norte, cerca de Terranova, al acentuarse las diferencias de
temperatura y densidad del agua entre esa corriente cálida y la fría de Labrador.
Y ese fue el caso aquella primavera boreal de 1912. Por otro lado, tres meses
antes del accidente se produjo el máximo acercamiento entre la Luna
L una y la Tierra
en más de 1400 años. Con esa aproximación la marea era máxima. La marea
excepcionalmente alta de enero pudo desprender muchos icebergs atrapados
que retomarían su camino y alguno pudo acabar cruzándose con el Titanic.
396
Capítulo 10: Consecuencias de un análisis de falla
Otro tema de interés es la dramática consecuencia en vidas humanas. Los botes
salvavidas fueron vistos como un requisito normativo, una molestia, porque
este buque era “inhundible”. En este punto ha habido un aprendizaje
formidable. No así en el diseño de las mamparas del casco. Cien años después
del hundimiento del Titanic, otro gran transatlántico, el Concordia, se hundió
en aguas poco profundas, provocando un reducido número de víctimas fatales,
Figura 10.7.dePero
se hundió,estancas
entre otras
cosas, porque
estos
buques
han
prescindido
las compuertas
para facilitar
el traslado
de los
pasajeros
en los niveles inferiores. En un nuevo giro, el criterio fue: con los sistemas de
control que tiene la nave, es “casi” imposible chocar con nada. Pero, como en
todas las fallas, hubo un error humano: por cuestiones del momento, el capitán
aproximó el barco a la costa más allá de lo que recomendaban las cartas de
navegación. Días después del hundimiento del Concordia la prensa se hizo eco
de la desaprobación generalizada hacia el Capitán del navío: aparentemente,
había desatendido sus funciones, viajaba acompañado de una amante y
abandonó el barco antes de asegurarse que hubiese sido totalmente evacuado.
Figura 10.7 El Concordia durante su viaje final
No debemos ser tan duros con el capitán: como en tantos otros casos, se ha
encontrado a un chivo expiatorio. Es “normal” que los oficiales de los barcos
de recreación sean buscados por señoras con deseos de aumentar el goce del
viaje. Las tradiciones de “mujeres y niños primero” y de “el capitán se hunde
con su nave”, por otra parte, si bien son ideas tranquilizadoras, se contradicen
cuando se analizan los listados de fatalidades en hundimientos: la tasa de
supervivencia entre la tripulación es mucho más alta que entre los pasajeros.
Esta situación es lógica: los miembros de la tripulación están en general física,
mental y emocionalmente mejor entrenados para enfrentar la situación. Los
capitanes que se han hundido con su barco, si bien hay honrosos casos, no son
la mayoría. Y no está mal que así sea. Exigirles de otro modo sería condenarlos
397
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes mecánicos / José Luis Otegui
a muerte por su responsabilidad, antes de cualquier oportunidad de análisis de
las verdaderas causas raíz.
Al momento de la escritura de este libro, los damnificados habían establecido
demanda a los responsables del barco, aludiendo al diseño inseguro de estos
barcos. Si la demanda prospera estaremos viendo un nuevo viraje en los
criterios
de diseño.
Tal vez volvamos a las mamparas, lo que no parece tan mala
idea, después
de todo.
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2012.
407
FUENTES DE LAS FIGURAS E IMAGENES
Figura /
Descripción
Tomado desde /
Fecha de publicación
Editorial
ISBN / ISSN / www
Autor
CAPITULO 1
1.1 (a, b), 1.2
Arch bridge
Original
Otegui
1.3 Falling toast
Matthews,
Robert.
1.A1, 1.A2, 1.A3
Traffic accident
European
Journal
of
Physics. Vol. 16, Nr. 4,
1995, p. 172–176.
Eng. Failure Analysis,
Vol. 9 pp. 109-122, 2002
Elsevier
1350-6307
1.4 Explosion
SULTANA
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
EUDEM, ISBN
978-987-1371-18-1.
1.5 Grover Plant
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
EUDEM, ISBN
978-987-1371-18-1.
1.6. Boiler at
Grover Plant
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
EUDEM, ISBN
978-987-1371-18-1.
1.7. Remains of
boiler at Grover
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
EUDEM, ISBN
978-987-1371-18-1.
1.8. Explosions
USA 1880 1990
Introduction to ASME
Codes
1.9 Liberty Ship
Mecanica de Fractura
Monografía tecnológica
OEA No.1 , Argentina,
1986
ASME American
Socierty of Mechanical
Engineers
Programa Regional
Científico Tecnológico
de la OEA
Otegui
L.A. de Vedia
CAPITULO 2
2.1 Coordination
2.2 Motor casing
Gas Explosion Handbook,
1993
www.gexcon.com
2.3 – 2.16
Fractographic
analyses
2A1, 2A2, 2B1
Examples
Original
Gie S.A.
Original
Gie S.A.
2.17
ASM materials handbook.
Vol. 11.
The Materials
Information Society
2C1 – 2C7
Examples
Original A. Marquez
Gie S.A.
2.18 – 2.22
Preliminary
analysis
Original
Gie S.A.
Dag
Bjerketvedt
Otegui
CAPITULO 3
3.1
Original
Gie S.A.
Micrograph
409
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes metálicos / José Luis Otegui
3.2.
Chart grain size
ASTM E 112 Standard
Guide for Grain Size
Measurement.
3.3, 3.4, 3.5
Micrographs
ASM materials handbook.
Vol. 11.
The Materials
Information Society.
3.6, 3.7, 3.8, 3.9
Original
Gie S.A.
3.A1, 3.A2, 3.A3
Examples
Original
Gie S.A.
3.B1, 3.B2, 3.B3,
3.B4 Examples
Original
Gie S.A.
3.C1- 3.C5
Example flexible
hose
3.D1- 3.D5
Example ERW
Original
Gie S.A.
Original
Gie S.A.
High Resolution Analysis
of Nano-components.
FEI Company,
Hillsboro, Oregon, USA.
www.fei.com
3.10, 3.11, 3.12
Nano devices
A. Márquez
R. Krueger, T.
Morrison
CAPITULO 4
4.1, 4.2a
Brittle failures
Original
4.2b
Plastic Instability
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
4.3, 4.4, 4.6, 4.7
Corrosion
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
Gie S.A.
E. Rubertis
Gie S.A.
4.5
“Machinery Failure
Analysis and
Troubleshooting,” (1998).
Original
Elsevier ISBN
0-88415-662-1
H.P. Bloch, .F.
Geitner.
Gie S.A.
Otegui
Fatigue Assessment of a
Double Submerged Arc
Welded Gas Pipeline. Int’l.
Journal of Fatigue, 2006.
Elsevier
ISSN 0142-1123,
P. Fazzini
4.10
Norma API 571
4.13
Norma API 571
American
Petroleum
Institute
American
Petroleum
Institute
4.8, 4.9
MIC
4.A1 – 4.A5
Example heat
exchanger
4.B1 - 4.B6
Example fatigue
gas pipeline
4.11 – 4.14
Hydrogen and
Creep
4.C1 - 4.C5
Example fire
hydrocarbon
410
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
Original
Gie S.A.
Otegui
Figuras
furnace
4.15
SCC gas pipe
Original
Gie S.A.
4.D1 - 4.D3
Example tube
plate exchanger
Failure Analysis of Tubeto-Tubesheet Welds in
Cracked Gas Heat
Elsevier
ISSN 1350-6307
P.G. Fazzini,
J L Otegui
Exchangers.
Eng.pp.
Failure
Analysis, Vol.11,
903913, 2004.
Gie S.A.
4.16
Lamination defect
4.17, 4.18
ERW
4.19
Defects in arc
welds
Experimental validation of
the influence of
Lamination defects in
E.R.W. pipelines. Int’l J
Press Vess & Piping, Vol.
82, pp. 896-904, 2005.
Cañerías y Recipientes de
Presión, 2008
Elsevier
ISSN 0308-0161,
P G Fazzini,
A. P. Cisilino.
J. L Otegui
CAPITULO 5
5.1, 5.2
Tensile Test
Original
Otegui
5.A1 - 5.A3
Example Stand
Pipe
5.3 - 5.6
Toughness Tests
Original
Otegui
Original
Otegui
5.7
Clip Gauge
Method
Validation of Methods to
Determine CTOD from
SENT specimens. 2nd
International Ocean and
Polar Engineering
Conference, Rhodes,
P. L. Moore,
H. G. Pisarski
5.8
Toughness tests
5.9
Spark Chemical
test
5.10
Hardness Tests
5.11
Hardness-tensile
5.12 - 5.19
Mechanical tests
Greece, June 2012.
Original
Westmoreland Mechanical
Testing & Research Ltd.
Otegui
ww.wmtr.co.uk
Microhardness testing
ww.gordonengland.co.
uk
Correlation
of
yield
strength
and
tensile
strength with hardness for
steels.
Original
ASM international, 2008
USA
E.J. Pavlina,
C.J. Van Tyne
Gie S.A.
CAPITULO 6
411
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes metálicos / José Luis Otegui
6.1
Original
Ph.D. thesis UNMdP
6.A1 - 6.A4
Example Pipe-soil
Interaction
6.B1 - 6.B2
Example Damper
Vessel
6.2 - 6.7
Fracture
Mechanics
6.C1 - 6.C2
Example Weld
Defect
6.8 - 6.9
Fracture
Original
Gie S.A.
Original
Gie S.A.
6.D1 - 6.D3
Example Fatigue
Compressor
Original
H. L.
Montenegro
Otegui
Original
Gie S.A.
Original
Numerical Life Estimation
after Fatigue Failure of a
Complex Component,
Fatigue & Fract. Engng.
Mater. Struct. vol. 28, pp.
547 – 556, 2005.
ISSN 8756-758X,
8756-758X,
J.L Otegui, H.
López
Montenegro,
A. Márquez.
CAPITULO 7
7.1
Challenger Failure
Original composition from
several free access sources
Otegui
7.2 – 7.5
RCA
Original
Otegui
7.B1 - 7.B6
Example Failure
Hot Tap
7.C1 - 7.C7
Example RCA
River Crossing
Original
Gie S.A.
Loss of a 30" directional
crossing due to pipeline
collapse during pullback.
Eng. Failure Analysis, Vol.
33, Pp 388–397
Failures in Cabin Type
Elsevier
ISSN 1350-6307
J Booman,
HG Kunert.
JL Otegui.
Elsevier
J. Booman M.
Hydrocarbon Heaters Due
to Inadequate Fuel
Control, Eng. Failure
Analysis, Vol. 21 pp. 31–
39, 2012.
ISSN 1350-6307
O. Gonzalez,
J.L. Otegui.
7.D1 - 7.D3
Example fire
heater
CAPITULO 8
8.1 Propagación
subcrítica de
fisuras
8.2 Lugares típicos
de ocurrencia
8.A1 Falla en el
chavetero
8.A2 Referencia
bibliográfica
412
ASM
materials
handbook. Vol. 11.
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
The Materials Information
Society.
Figuras
8.A3 (a) (b) Sitio
de iniciación de la
fractura
8.3 Marcas de
falso brinelling
Gie S.A.
An. Márquez
Shinitzky Arzi Ltd. –
Bearings
Supplyhttp://www.bearing.c
o.il/db13.asp
8.B1 Daño en el
eje del generador
8.B3 Grasa
retenida entre los
elementos
8.C2 Respaldo del
cojinete.
An. Márquez
8.C3 Micrografía
del material del
cojinete.
8.5.1 Modos de
falla de engranajes
An. Márquez
http://www.keywordpicture.
com/abuse/gear0failure/
8.5 Elementos de
acoples rígidos
EuroFlex
Transmission
LTD. PDF Blueprint
8.D1 Sección
EuroFlex
transversal del
acople
8.D2 Disco de
union al volante
8.D3 Pieza
distanciadora
LTD. PDF Blueprint
An. Márquez
An. Márquez
Transmission
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
8.D4 Discos
consecutivos
Gie S.A.
An. Márquez
8.D5 Detalle de
los discos
Gie S.A.
An. Márquez
8.D6 Marcas de
contacto
Gie S.A.
An. Márquez
8.D7 Signos de
fretting
Gie S.A.
An. Márquez
8.6 Diagrama de
cargas actuantes
Standard
Handbook
of
Machine Design 3ed –
Shigley, Mischke
Standard
Handbook
of
Machine Design 3ed –
Shigley, Mischke
http://www.mitcalc.co
8.7 Diagrama de
cargas del montaje
8.8 Aplicación del
diagram
8.9 Identificación
de la calidad del
material
8.10 Fractura por
fatiga y por
sobrecarga dúctil
8.E1 Esquema del
Standard
Handbook
of
Machine Design 3ed –
Shigley, Mischke
An. Márquez
Gie S.A.
pistón
413
Análisis de fallas – Fundamentos
F undamentos y aplicaci
aplicaciones
ones en componentes metálicos / José Luis Otegui
8.E2 Perno
fallado, superficie
de fractura
8.E4 Geometría y
terminación
superficial
8.E5 Geometría y
terminación
superficial
8.F1 Fisuras en el
sello de alta
presión
8.F2 Detalle de
las fisuras
8.F3 Modelado de
las tensiones
térmicas
8.F4
Accionamiento
directo y de rueda
8.F5 Estructura
metalográfica de
una súper aleación
8.F6 Pit de
corrosión
superficial
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
Gie S.A.
An. Márquez
An. Márquez
Presentación PPT
Gie S.A.
http://www.bureau.tohoku.a
c.jp/kohyo/kokusai/06Apr.2
0News-full.htm
An. Márquez
CAPITULO 9
9.1
Bathtab Curve
Original
Gie S.A.
9.2 - 9.5
Defect
Characterization
9.6 - 9.7
Defect
Characterization
9.8 - 9.13
In Field
Measurements
9.14
Life of Bearings
API STD 579 – ASME
FFS1.
“Fitness
for
Service”. 2007
Original
American
Institute
Gie S.A.
Original
Gie S.A.
Mantenimiento Predictivo
http://www.monografia
s.com
Original
Gie S.A.
Original
Gie S.A.
9.15
Residual Life
Curve
9.A
Example Fatigue
Life
Petroleum
CAPITULO 10
10.1
Sketch: learning
Original
10.2
«Current evaluation of the
Chernobyl Nuclear
Plant
Chernobyl reactor accident
release» (Nuclear Energy
414
Gie S.A.
Otegui
Figuras
Agency (February 1996).
10.A1, 10.A2
Example Water
Pump Station
10.3, 10.4
Deep Water
Horizon
10.5
Fukushima
Nuclear Plant
10.6
Titanic
10.7
Costa Concordia
Original
Gie S.A.
Otegui
A system approach to
safety (a report
recommends ways to avoid
a repeat of the Macondo
Well blowout). Mechanical
Eng. Journal, p 42, March
2012
ASTM American Soc.
Mech. Engineers
A. S. Brown.
Institute of Physics Pub.
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R. Corfield.
Original composition from
several free access sources
The role of physics in the
sinking of the Titanic.
Physics World, April 2012
Original composition from
several free access sources.
415
Esta publicación se terminó de imprimir
en el mes de Octubre de 2013,
en la ciudad de Mar del Plata.
Esta edición consta de 500 ejemplares