Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

Édgar Espejo Mora, Héctor Hernández Albañil

• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Año: 2017
• ISBN:
  9789587830224
• Categoría: Tecnología e ingeniería
• Categoría: Ingeniería mecánica

Este texto se diseñó para servir en cursos de pregrado y posgrado de análisis de fallas de elementos mecánicos y estructuras, y como elemento de consulta para profesionales en ejercicio en esta área. Se presenta la metodología básica del análisis de fallas, así como una descripción detallada de la mayoría de modos de falla por deformación, fractura, desgaste y corrosión que se presentan en elementos mecánicos y estructuras metálicas. A lo largo del libro se usan ejemplos de casos de falla, cuyo análisis fue abordado por los autores, para poder describir mejor las características de cada modo de falla y sus causas más comunes.

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INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DE FALLAS

Cuando se ha detectado la ocurrencia de una falla de un elemento mecánico, se debe adelantar un procedimiento lógico y sistemático cuyo objetivo sea establecer el mecanismo de falla y el modo o modos de falla presentes en este, con lo cual se responde la pregunta ¿cómo falló?; también se busca determinar las causas organizacionales y humanas que permitieron la ocurrencia de dicho evento de falla, es decir, responder la pregunta ¿por qué falló?; a todo este procedimiento se le denomina análisis de fallas. Como consecuencia de un análisis de fallas se establecen responsabilidades y se toman las acciones correctivas necesarias que minimicen la recurrencia futura de la falla. Cuando el objetivo último de un análisis de fallas es determinar responsabilidades legales por pérdidas económicas, de vidas, reclamos de garantías, pagos de seguros, etcétera, allí se habla de que se hace un análisis de ingeniería forense. En la figura 1.1 se muestra la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense.

Figura 1.1 Diagrama de bloques que esquematiza la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense

Fuente: elaboración propia.

1.1 FALLAS Y SU CLASIFICACIÓN

Cuando una estructura, un elemento, un conjunto de elementos de máquinas o un equipo durante su operación son incapaces de brindar las prestaciones, o las condiciones de seguridad, o la eficiencia, o la operatividad, o los costos de operación y mantenimiento, o la vida de servicio, o demás indicadores de desempeño dentro de los límites especificados por el diseñador, se dice que ha experimentado una falla.

Así pues, un sistema mecánico ha fallado cuando: (a) deja de operar, por ejemplo, en el caso de la fractura del cigüeñal del motor de un vehículo, lo cual anula completamente su funcionalidad; (b) sigue operado de manera no satisfactoria, por ejemplo, si el motor de un vehículo tiene alguna obstrucción en el sistema de admisión de aire, que hace que genere menos potencia con consumos mayores de combustible, lo cual lo hace ineficiente pero no necesariamente anula su funcionalidad; (c) el hecho de seguirlo utilizando puede provocar a futuro daños mayores, que sería el caso de tener un motor de combustión, el cual tenga degradado el aceite por contaminación con fluido refrigerante, lo cual no anula la funcionalidad inmediata del motor, pero hacia el futuro puede acelerar los problemas de desgaste adhesivo de las partes móviles y corrosión interna.

A la situación (a) descrita en el párrafo anterior se le llama falla catastrófica, ya que se genera parada total del equipo, lo que implica pérdidas económicas por el lucro cesante y los costos de reparación, o incluso puede conducir a pérdidas de vidas como es el caso de la industria automotriz. Las situaciones (b) y (c) no implican pérdida de funcionalidad, pero la baja eficiencia generada o el acortamiento de la vida a desgaste y corrosión de los elementos internos del motor, hace que se trabaje por fuera de los límites de diseño, por lo que se les conoce como fallas no catastróficas. El problema de las fallas no catastróficas está en que en la práctica pueden llevar a subestimar sus posibles consecuencias, porque una persona con un mínimo de conocimiento técnico es consciente de las implicaciones de la obstrucción del sistema de admisión de aire del motor o la contaminación del aceite con el fluido refrigerante y, por lo tanto, considerar estos eventos como fallas, para tomar así las acciones correctivas pertinentes, pero el conductor del vehículo puede que no los considere como fallas, ya que la funcionalidad no se ha perdido y, por lo tanto, no toma acciones correctivas.

Cuando una falla se desarrolla en tiempos muy cortos, por lo que es casi imposible su detección en etapas tempranas, con los sensores y tecnología disponibles, y que por lo tanto no permite realizar una parada programada del equipo para tomar una acción correctiva, la llamamos falla súbita. Este tipo de fallas generalmente son catastróficas. Ejemplos de algunos modos de falla comúnmente asociados con las fallas súbitas son la fractura frágil, la fractura dúctil o la deformación plástica.

Cuando la falla tiene un tiempo prolongado de evolución, que permite su detección en etapas tempranas y el seguimiento de su progreso, lo cual facilita la toma de acciones correctivas antes que se convierta en una falla catastrófica, la llamamos falla progresiva. La mayoría de los modos de falla son de este tipo, por lo que se tienen ejemplos como la fractura por fatiga, la fractura por corrosión bajo esfuerzo, el desgaste adhesivo, el desgaste abrasivo, la corrosión generalizada, entre otras. Si la velocidad de evolución de la falla progresiva es muy alta, puede llegar a convertirse en súbita; es el caso por ejemplo del desgaste adhesivo que experimenta un eje girando a altas revoluciones por minuto, sobre un cojinete que pierda completamente el suministro de lubricante, lo cual desencadena en pocas revoluciones del eje, aumento severo de la temperatura y fusión de las partes.

Es posible definir tanto para las fallas progresivas como para las súbitas, dos etapas generales: (1) falla en etapa latente o falla latente, que se caracteriza por ser una etapa en la cual el mecanismo de falla está en marcha (bien sea el mecanismo físico o el humano-organizacional), pero aún no se ha manifestado, es decir, el sistema mecánico no se ha salido de los parámetros de diseño, que corresponde, por ejemplo, a las primeras fases de contaminación del aceite con el líquido refrigerante en el ejemplo del motor contaminado; (2) falla en etapa manifiesta o falla manifiesta, donde la evolución del mecanismo ya ha hecho que el sistema mecánico se salga de los parámetros de diseño, que en el caso del ejemplo del aceite de motor contaminado con refrigerante, implica que este, después de varias horas de funcionamiento, ha variado sus propiedades físicas y químicas, y por lo tanto, ya se ha acelerado la velocidad de desgaste y corrosión de las partes internas del motor, siendo detectable el mecanismo de falla si se analizan el lubricante o las partes. En la figura 1.2 se resume la clasificación de las fallas.

Figura 1.2 Clasificación de las fallas

Fuente: elaboración propia.

1.2 MODO DE FALLA Y MECANISMO DE FALLA

La manera física o química en que un elemento de máquina se degrada se denomina modo de falla, es decir, hace referencia a la forma en que la pieza se agrieta, distorsiona, cambia de dimensiones, etcétera; ejemplos de modos de falla son la fractura por fatiga, la corrosión por picadura, el desgaste adhesivo, entre otros. El proceso mediante el cual un elemento de máquina falla se conoce como mecanismo de falla físico o simplemente como mecanismo de falla, es decir, se refiere a toda la secuencia de eventos físicos o químicos involucrados, desde la fuente de la falla hasta que esta es detectada, por lo tanto, un mecanismo de falla puede incluir secuencias de modos de falla y se trata de una secuencia de eventos causa-efecto físicos. Al establecerse el mecanismo de falla de una pieza se responde a la pregunta ¿cómo falló? En la figura 1.3 se esquematiza la relación entre la fuente de la falla, los modos de falla y el mecanismo de falla.

Figura 1.3 Relación entre fuente, modos y mecanismo de falla

Fuente: elaboración propia.

A manera de ejemplo tomemos el caso de la falla catastrófica hipotética por fractura del cigüeñal de un motor, donde al adelantarse la inspección fractográfica el especialista puede determinar que el modo de falla final fue fractura por fatiga bajo carga de flexión, y al seguir inspeccionando el cigüeñal, nota que la zona de origen del agrietamiento por fatiga corresponde a una de daño previo por desgaste adhesivo contra un cojinete de biela, y al verificar la referencia del cojinete nota que el espesor de este es inferior al necesario para el diámetro del cigüeñal y fue colocado en el último mantenimiento realizado al motor. Con lo anterior el mecanismo de falla que identifica el especialista es el siguiente: por un mantenimiento deficiente (fuente de falla), se colocó un cojinete de bajo espesor sobre el cigüeñal, el cual no generó una película de aceite apropiada entre estos elementos, desencadenando desgaste adhesivo con un posterior agrietamiento por fatiga, el cual finalmente inutilizó al cigüeñal. Nótese que en este caso se tienen dos modos de falla secuenciales dentro del mecanismo de falla (figura 1.4).

Los elementos mecánicos son piezas de máquinas diseñadas para soportar cargas o deformaciones, bajo unas determinadas condiciones de radiación electromagnética o de radiación material incidente, de temperatura, de presión y de composición química del medio ambiente circundante, lo cual hace que se desarrollen varios modos de falla en el tiempo, que se pueden agrupar en cuatro familias básicas (figura 1.5), estos modos aplican también a estructuras.

Figura 1.4 Ejemplo de un mecanismo de falla hipotético en la fractura de un cigüeñal de motor

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.5 Familias de modos de falla básicos de los elementos mecánicos y las estructuras

Fuente: elaboración propia.

Las fallas por deformación o distorsión se presentan, si bajo la acción de las cargas una pieza cambia su geometría de manera permanente (deformación plástica) o si su deformación elástica no es la esperada, bien sea por muy elevada o muy baja. Un estado vibratorio anormal en un equipo puede ser consecuencia de la evolución de modos de falla por deformación, fractura, desgaste o corrosión, sin embargo, también es posible tener fallas por vibración, lo cual indica que se tienen amplitudes, velocidades, aceleraciones o frecuencias de vibración fuera de rango, que pueden desencadenar la ocurrencia de los otros modos de falla. Las fallas por deformación y vibración se pueden agrupar en una misma familia, y...