1. Analisis Falla - Metodología

7/24/2019 1. Analisis Falla - Metodologa

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Captulo 2

Metodologa del Analisis de

Falla

2.1. Procedimiento General

Un procedimiento de analisis de falla tiene el objetivo de determinar la causaorigen de esta y establecer acciones correctivas para solucionar y prevenir larecurrencia del problema. Un analisis de falla requiere de un claro entendimientode la definicion de falla, asi como de la distincion entre indicadores, causa yconsecuencia de la falla y acciones. Algunas definiciones basicas son:

Indicador: Sntomas que evidencian la presencia de fallas

Causa: Hecho efectivo que indujo a que la falla se produjera

Mecanismo y consecuencia: Procedimiento de ocurrencia de la falla, aclaran-do origen, desarrollo y consecuancia de la falla

Acciones correctivas: Procedimientos para prevenir la recurrencia de lafalla

El proceso del analisis de fallas es complejo e involucra diferentes disciplinas:Observacion, inspeccion, ensayos de laboratorio y calculos. Muchas veces implicala interaccion de expertos de diferentes areas. Ademas se debe considerar infor-macion de diseno, manufactura, mantenimiento, historial de servicio, historialde fallas.

La figura 2.1 representa un esquema de interaccion del analisis de fallas en

el proceso, donde se considera:

1. Identificacion. Describe la situacion, define la deficiencia en terminos de lossntomas o indicadores. Determina el impacto de la deficiencia en el com-ponente, producto o sistema. Recoge los datos que entregan una medidadel dano o deficiencia.

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28 CAPITULO 2. METODOLOGIA DEL ANALISIS DE FALLA

Figura 2.1: Resolucion de un problema de fallas

2. Determinacion de la causa Raz. Analisis del problema para identificar lacausa raz y los problemas consecuanciales

3. Desarrollo de acciones correctivas. Planteamiento de acciones para solu-cionar y prevenir la recurrencia del problema. Genera alternativas y de-sarrollo de un plan de implementacion.

4. Validacion y verificacion de acciones correctivas. Ensayos y calculos de

las acciones correctivas, eficiencia de los cambios, verifica el efecto de lasacciones correctivas.

5. Estandarizacion. Incorporar las acciones correctivas en la documentacionde la empresa para prevenir recurrencia en productos similares. Monitoreode cambios para asegurar eficiencia.

En general se presenta una curva de fallas en los equipos en funcion del tiempo,la que presenta tres perodos mas o menos definidos: Fallas iniciales (despues dela instalacion del equipo), fallas intrnsecas al funcionamiento normal y fallasdebido al desgaste. Ver figura 2.2

Muchas veces no existe una causa unica de una falla, si no, que el origen sedebe a una combinacion de ellas.

2.2. Objetivo de la investigacion de la falla

El objetivo principal de un analisis de fallas es la utilizacion de este parala prevencion de la misma u otras fallas que pueden presentarse en el sistemaanalizado.


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2.3. ETAPAS DE UN ANALISIS DE FALLAS 29

Figura 2.2: Distribucion tpica de fallas en el tiempo

En general una falla se define como una condicion o evento no deseado de unaestructura, componente o elemento de maquina. Se considera que un elementoha fallado cuando presenta alguna de las siguientes condiciones:

Sistema o elemento completamente inoperable.

Sistema o elemento puede continuar operando por algun tiempo pero enforma insatisfactoria.

El deterioro o dano producido en el elemento, hace que el sistema no operecon las condiciones mnimas de seguridad.

2.3. Etapas de un Analisis de Fallas

Antes de comenzar un analisis de falla es necesario tener claro el objetivo yalcances de la investigacion de la falla.Las etapas a desarrollar en la investigacion de una falla estan condicionadas altipo y caractersticas de la falla en cuestion, sin embargo se pueden identificarlas principales etapas que involucran un analisis de fallas.

1. Recopilacion de antecedentes y especificaciones de diseno de elemento fa-llado

2. Recopilacion de historial de servicios, incluyendo modificaciones al disenooriginal

3. Levantamiento fotografico in situ lo antes posible. De modo de no danarevidencias

4. Inspeccion Visual y seleccion de muestras representativas


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5. Mediciones e Inspecciones con metodos no destructivos a la parte fallada.Medicion de otros parametros fsicos y qumicos

6. Envo de muestras a Laboratorios, previa identificacion y acondicionamien-to

7. Inspeccion visual con elementos adecuados, para identificar posibles tiposde fallas

8. Analisis macroscopico, definicion de metodos de fabricacion, modos defalla

9. Ensayos mecanicos. Caracterizacion mecanica del material. Traccion, Charpy,Dureza

10. Analisis metalograficos. Del material en zona de falla y en zonas alejadas

de esta

11. Analisis Qumicos, del material y de productos depositados sobre la pieza

12. Microscopa Electronica de superficies afectadas

13. Calculos de esfuerzos a los que estuvo sometida la pieza en condicionesreales de operacion

14. Interpretacion de resultados. Formulacion y explicacion del mecanismode falla. Relacion de este con las condiciones de servicio y de diseno deelemento fallado

15. Estudio de medidas correctivas

16. Implementacion de medidas correctivas

17. Informe tecnico final

18. Seguimiento a sugerencias y recomendaciones

2.3.1. Recoleccion de antecedentes

Saber preguntar ordenada y criteriosamente es fundamental para obtenerbuenos resultados en la pesquisa de antecedentes. El afectado por el siniestro(dano) en el equipo debe tener siempre claro que la investigacion es para evitarfuturos eventos y no sera usada para sancion. Existen muchas formas de realizarpreguntas al respecto y tambien una serie de ordenadas planillas de recoleccion.

A continuacion se muestra algunos ejemplos de los items a considerar:

1. Documentos.

Es ventajoso y aun necesario coleccionar documentos como evidencias,tales como: certificados de vendedores, datos de ensayos mecanicos e in-formes y evaluaciones hechas en casa, especificaciones y garantas, planos


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de diseno con especificaciones de terminaciones superficiales. Tambien esimportante el examen de correspondencia, tales como cartas entre el pro-

ductor y el consumidor o el tecnico y el ingeniero. Este tipo de informaciontecnica no se puede subestimar ya que muchas veces el hecho de cenirsea un procedimiento u obedecer una especificacion se puede convertir en elpunto mas importante de una investigacion especialmente desde el puntode vista legal.

2. Condiciones de servicio.

Condiciones de operacion de diseno

Las condiciones de operacion o servicio reales son extremadamenteimportantes: Historial de servicio, condiciones de operacion y man-tenimiento

Datos sobre los niveles y rangos de condiciones de trabajo

Manuales de mantenimiento

Manuales de operacion

Condiciones ambientales (polvo, humedad, altura sobre el nivel mar,caractersticas de los fluidos utilizados en el proceso, etc.)

Reportes sobre reparaciones realizadas y especificaciones de los ma-teriales que han sido reemplazados.

3. Manejo de materiales

Muchas veces las fallas no ocurren por condiciones de servicio sino que porerrores al manipular, al identificar o en el almacenamiento. Es tpico quepiezas sufran golpes en su manipulacion, que puede ser el inicio de unafutura grieta. Tambien los problemas de corrosion facilitan la formacionde grietas por fatiga o por corro-fatiga. Un ejemplo lo representa un casodocumentado respecto a una falla originada por una marca superficialrealizada electricamente, la cual localmente transformo la austenita enmartensita que es mucho mas fragil.

Las condiciones de almacenamiento tambien son importantes. Por ejemp-lo, los electrodos para soldar deben guardarse en lugares secos, para evitarproblemas de fragilidad por hidrogeno en la soldadura cuando estos sonusados en materiales sensibles al hidrogeno. Los elementos de maquinascon terminacion superficial del tipo pulida fina, deben limpiarse para elim-inar huellas dactilares. Despues deben engrasarse para ser almacenadas yevitar la corrosion.

4. Entrevistas.

Ninguna investigacion es completa sin los testimonios de las personas quetienen informacion sobre la falla, ya sea como testigos de la falla o per-sonalmente asociados con el proceso. Tal testimonio, por supuesto, puedeser parcial sin intencion o deliberadamente. As la falla puede ser guia-da directa o indirectamente al no cumplimiento de algun procedimiento


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prescrito. La parcialidad en la informacion puede ser revelada por otrostestimonios o por datos de ensayos. Lo importante es que el investigador

debe usar la entrevista solo como una herramienta, analizandola juiciosa-mente.

2.3.2. Seleccion de muestras

Es fundamental y quizas de la maxima importancia que la investigacioneste apoyada por diversos tipos de ensayos, ya sea de tipo destructivo o no de-structivos. Las recoleccion de muestras puede involucrar decisiones que afectenalgun elemento estructural del cual no se puede extraer muestras para an ali-sis. Lo ideal es cuando las muestras son parte del elemento danado y tienensuperficies fracturasdas que deberan ser analizadas.

2.3.3. Preparacion de muestras

Las muestras deben ser seleccionadas de modo de no danar las evidencias, nicambiar las condiciones de estas. Se debe tener especial cuidado en los cortes, yaque pueden hacer variar las propiedades mecanicas y metalurgicas del material.Por ejemplo la figura 2.3 forma parte del diente fracturado de la figura 2.4 lacual muestra zonas de fracturas que necesariamente deberan examinarse.

Figura 2.3: Diente fracturado


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Figura 2.4: Diente fracturado de un reductor

Figura 2.5: Seleccion de muestras en el diente fracturado del reductor

Figura 2.6: Montaje de algunas muestras seleccionadas para ser observadas almicrocopio


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Figura 2.7: superficie de analisis sin ataque qumico

2.3.4. Analisis Metalografico

Es una de las principales herramientas del analisis de fallas ya que, poruna parte permite conocer la microestructura del material y por otra, visualizargrietas y/o discontinuidades pequenas. Cada tipo de falla tiene una alteracion de

las caractersticas metalograficas del material, por consiguiente una evaluacionmetalografica permitira en muchos casos determinar la causa exacta de la falla.Por ejemplo la figura 2.7 representa una superficie a estudiar antes del ataquequmico que permite una mejor visualizacion en el microscopio electronico. Lafigura 2.8 muestra como el microscopio puede distinguir lmites de grano parala superficie tratada y pulida de la fractura del diente mencionado

2.3.5. Analisis qumico

El analisis qumico es utilizado para determinar la composicion qumica de

los materiales, permitiendo determinar si se ha producido algun cambio en lacomposicion qumica en operacion. Ayuda a la mejor caracterizacion del tipode material el que debera ser comparado con las clasificaciones que existen enlas normas para los distintos tipos de materiales. Varias empresas realizan esteanalisis. La figura 2.9 representa un ejemplo de analisis qumico realizado porla Fundacion Imperial de la ciudad de Concepcion.


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Figura 2.8: Diente fracturado. Fotografa superficie con microcopio con aumentox200

2.3.6. Difraccion Rayos-X

Las longitudes de onda de algunos rayos X son m as menos iguales a ladistancia entre planos de atomos de solidos cristalinos. Cuando una radiacionelectromagnetica incide sobre una superficie provista de un gran numero de

elementos espaciados regularmente a intervalos aproximadamente iguales a lalongitud de onda de la radiacion, se produce el fenomeno de difraccion, consis-tente en la separacion del rayo incidente en una serie de haces que se dispersanen todas direcciones. El dispositivo que produce este fenomeno se llama rejillade difraccion.

Este espaciado es del orden de la longitud de onda de los rayos X. Estosultimos pueden ser difractados por el solido que actua como rejilla de difraccion.Los elementos de la rejilla son las partculas constituyentes del solido y masprecisamente sus electrones, que al recibir la radiacion la reemiten haciendo lasveces de nuevas fuentes de radiacion.

Algunas de las aplicaciones mas comunes que se encuentran en el estudio delos materiales son:

Determinacion de la estructura de los materiales, esto se hace gracias a larecopilacion de informacion que ha permitido tener una gran cantidad depatrones de difraccion. Ademas del establecimiento de los planos cristal-inos que producen difraccion y la combinacion del difractometro con lascamaras de difraccion de rayos X, para el estudio de estructuras complejas.


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Figura 2.9: Ejemplo de un analisis qumico realizado por la Fundicion Imperialde la Octava Region


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2.4. EJEMPLO DE PAUTA DE INVESTIGACION 37

Determinacion de las composiciones y de los elementos presentes en unaestructura que se somete a estudio, esto se logra realizando an alisis cuan-

titativo y cualitativos de las estructuras que se someten a estudio.

Determinacion de los cambios de fases en las estructuras, este tipo deanalisis se realiza por medio de difractometros o camaras en los cualesse puede someter el material a cambios de temperatura, lo cual permiterealizar analisis a diferentes temperaturas.

Determinacion de esfuerzos residuales. Se realiza estudiando patrones dedifraccion del material es estudio y comparandolos con aquellos en losque se presentan esfuerzos residuales con el fin de detectar cambios en lamorfologa de los planos que producen difracciom

La figura 2.10 muestra el resultado de un analisis por difraccion de rayos Xrealizado en los Laboratorios de la Universidad de Concepcion

2.3.7. Ensayos mecanicos

Los ensayos mecanicos, como ya se ha dicho, permite determinar las propie-dades mecanicas del material de la probeta ensayada. Son especialmente uti-lizados para comparar materiales y en caso de operacion a altas temperaturaspermiten determinar si existe dano en el material. Entre los ensayos mecanicosmas utilizados se encuentran los de: traccion uniaxial, dureza, torsion, corte,impacto y fatiga en flexion, traccion y torsion entre otros. En este libro se pre-senta un captulo de los principales tipos de ensayos utilizados en un analisis defalla, entre los que se detallan los de tracci on uniaxial y el de Charpy.

2.3.8. Modelacion numericaLos calculos y modelaciones numericas permiten determinar esfuerzos, defor-

maciones, conocer desplazamientos, etc. en maquinas y estructuras, por lo quepueden ser utilizadas en determinar zonas de concentracion de esfuerzos quepermitan determinar el origen de fallas de diseno y/u operacion. Los autoresdel presente texto han modelado un sin numero de equipos reales de los masdiversos tipos y son presentados en una captulo aparte.

2.3.9. Planteamiento de hipotesis

Finalmente una vez recopilada toda la informacion se debe generar unahipotesis de falla, determinando la causa raz y los efectos consecuenciales.

2.4. Ejemplo de pauta de investigacion

1. Determinar la historia previa a la falla.

a) Evidencia a traves de documentos.


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Figura 2.10: Ejemplo de un analisis de difraccion por rayos-x realizado por elpor Instituto GEA de la Universidad de Concepcion


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2.4. EJEMPLO DE PAUTA DE INVESTIGACION 39

Certificados de ensayos

Datos de ensayos mecanicos

Especificaciones pertinentes

Correspondencia

b) Parametros de servicio:

Parametros de diseno o de operacion esperados

Condiciones de servicio reales

Datos sobre temperatura

Presiones, velocidades.

Condiciones del medio

Tensiones de servicio

c) Detalles referentes a la falla reportados por el personal de operaciony mantenimiento.

2. Ensayos no destructivos.

a) Examen macroscopico de la superficie de fractura:

1) Presencia de color o cambios de textura

Colores de revenido

Oxidacion

Productos de corrosion

2) Presencia de aspectos notables

Zonas de cizalle

Marcas de playa

Marcas chevron

Senas de alta plasticidad

Huecos o inclusiones grandes

Grietas secundarias

3) Deteccion de propagacion

4) Origen de la fractura

b) Deteccion de defectos en la superficie y bajo la superficie.

1) Partculas magneticas

2) Lquidos penetrantes

3) Ultrasonido

c) Medidas de dureza

1) Macroscopica2) Microscopica.

d) Analisis qumico

1) Espectrografico.

2) Ensayos puntuales.


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3. Ensayos destructivos.

a) Metalograficos.1) Macroscopico

2) Microscopico

Estructura

Tamano de grano

Microdureza

b) Ensayos mecanicos

Traccion

Impacto

Tenacidad a la fractura

Especiales.

c) Ensayos de corrosion.

d) Analisis qumicos humedos.

La figura 2.11 muestra un esquema presentado por la litertura especializada quepermite estratificar los tipos y causas de fallas

2.5. Ejemplo de cuestionario de investigacion

Datos de la empresa

1. Nombre de la planta.2. Ubicacion.

3. Que procesa y que produce.4. Departamento interesado en el estudio.5. Departamento responsable del sistema o equipo averiado.6. Nombre de la persona responsable de la operacion del equipo (su numero

telefonico y horario de trabajo).7. Nombre de la persona responsable del area donde funciona el sistema o

equipo (su numero telefonico y horario de trabajo).8. Nombre de la persona que solicita el estudio (su numero telefonico y

horario de trabajo).9. Proposito del estudio.Datos sobre la avera

10. Nombre del equipo o sistema averiado.11. Descripcion de las funciones que cumple en el proceso.

12. En que parte del mismo ocurrio la avera.13. Relate como ocurrio la avera.14. Es la primera vez en la historia del equipo o sistema que falla as.15. Si hubo otras veces, indique cuantas.16. Aporte todos los datos de las averas anteriores (Estudios, ensayos, doc-

umentacion fotografica, etc.).


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2.5. EJEMPLO DE CUESTIONARIO DE INVESTIGACION 41

Figura 2.11: Distribucion tpica de fallas en el tiempo


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17. Cuando ocurrio la avera?. (durante el funcionamiento, puesta en marcha,parada, cambio de condiciones de servicio, etc.)

18. Aporte antecedentes si los posee, de averas similares en instalacionessemejantes.

19. Fecha de la avera mas reciente.20. Fecha de la primera avera.21. Ubique la(s) posicion(es) de la avera en un plano actualizado del sistema

o equipo.22. Cronologa de la puesta en marcha y paradas.23. Tipo y caractersticas de las medidas adoptadas para condicionar el sis-

tema durante su parada.24. Horas de servicio prestado hasta la ruptura m as reciente.25. Horas de servicio hasta la primera rotura.Datos sobre el servicio

26. Tipo de servicio: continuo, intermitente.27. Clase de servicio: provision de vapor, refrigeracion, bombeo de acidos, al-

imentacion a caldera, lodos qumicos, agua de proceso, transmision de potencia,etc.

28. Controles sobre parametros del proceso.29. Temperatura de servicio / valores picos registrados.30. Presion nominal de servicio.31. Presion promedio / valores picos registrados.32. Las variaciones de temperatura y presion son cclicos.33. Frecuencia de las mismas.34. Ciclos de calentamiento y enfriamiento por da (mes o ano).35. Numero de paradas anuales.36. Duracion de las paradas.

37. Que variaciones se han introducido en las condiciones operativas delsistema con respecto a las de diseno, desde su puesta en marcha.38. Fecha de la ejecucion de dichas modificaciones.39. Hubo sobrecargas accidentales en el sistema?. Cuantas y cuando.40. Errores operativos consignados (cuantos y cuando).41. Durante el proceso, el equipo o sistema es limpiado siguiendo algun

procedimiento especial.42. Con que frecuencia?43. Descripcion del gas, lquido contenido o transportado. Composicion qumi-

ca o pureza.44. Existen las fases lquidas o gaseosas?45. Existen solidos sin disolver? (cantidad)46. Elementos contaminantes. Hay controles sistematicos?

47. Existen elementos corrosivos? (pH, concentracion, etc.)48. Aireacion, sin aire, moderado, completo.49. Agitacion, velocidad de disolucion.50. Viscosidad, rigidez, etc.51. Abrasivos presentes solidos en estado de suspension (Naturaleza y can-

tidad).


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2.5. EJEMPLO DE CUESTIONARIO DE INVESTIGACION 43

Figura 2.12: Causas de fallas ordenadas para realizar chequeo en una investi-gacion


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Figura 2.13: Tabla gua que indica las principales formas de falla presentada enequipos industriales


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Bibliografa

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