Identificando la causa raíz de daño de la maquinaria mediante el monitoreo de condición.

Por: Ray Garvey, Emerson Process Management Pat Henning, Spectro, Inc.

¿Por qué algunas máquinas fallan tempranamente, mientras que otras operan por muchos años sin fallar? Por lo general, hay ocho mecanismos que conducen a la falla de un componente en la maquinaria: abrasión, corrosión, fatiga, lubricación límite, deposición, erosión, cavitación y descargas eléctricas. Esos mecanismos son motivados por varias fuerzas, agentes reactivos, el ambiente, las temperaturas y el tiempo. A través del monitoreo de condición de su maquinaria y aplicando tecnologías apropiadas de medición, es posible revelar la existencia de dichos mecanismos a fin de tomar medidas proactivas o predictivas y prevenir fallas.

4 mecanismos clave de falla

Hay cuatro mecanismos clave que comúnmente se asocian con la mayoría de las causas raíz que conducen a la falla de los componentes de la maquinaria: abrasión, corrosión, fatiga y lubricación límite. Esta última se refiere a adhesión y otros modos de desgaste por deslizamiento.

 

Abrasión

El desgaste abrasivo usualmente es el resultado de desgaste de corte de tres cuerpos causado por un lubricante contaminado con polvo. El polvo, que es mucho más duro que el acero, se queda atrapado en un punto entre dos superficies en movimiento. Las partículas atrapadas tienden a incrustarse en el metal más suave, cortando la superficie opuesta, haciendo surcos o ranuras. Esto es similar al proceso por el cual el papel lija desgasta el acero. El fluido lubricante minimiza la fricción y adhesión, mejorando efectivamente la eficiencia del corte de las partículas abrasivas durante las revoluciones subsecuentes de los componentes de la máquina.

La abrasión involucra fricción localizada, que produce ondas de esfuerzo de alta frecuencia que se propagan en cortas distancias a través de los metales. La energía de las ondas de estrés puede detectarse empleando técnicas de análisis de alta frecuencia, como la tecnología de Emerson PeakVue™. Debe aplicarse el control de contaminación con partículas en el sistema de lubricación removiendo las partículas sólidas, al mismo tiempo que se minimiza su ingreso a través de los respiradores, sellos y lubricantes de relleno. El establecimiento de objetivos de limpieza y su control por medio del conteo de partículas, como se especifica en los estándares ASTM D7416, D7647 y D7596, es esencial para controlar la contaminación con partículas.

Las partículas de desgaste abrasivo se ven similares a las rebabas que hay en el piso del taller de mantenimiento, o en las máquinas herramientas. Algunas de esas partículas se describen como rizos. El análisis de partículas de desgaste (APD), de acuerdo con el estándar ASTM D7684 y empleando las técnicas descritas en los estándares ASTM D7416 y D7690, pueden ser muy efectivos para identificar tales partículas. La detección y clasificación de las partículas de desgaste está definida en el estándar ASTM D7596 y puede ser de mucha utilidad.

 

 

 

Corrosión
La corrosión es una reacción química que es acelerada por la temperatura. La regla de la tasa de Arrhenius sugiere que la velocidad de una reacción química se duplica por cada incremento de 10°C (18°F) de la temperatura. La corrosión de las superficies metálicas tiende a ser algo auto-limitante debido a que sobre las superficies se forman óxidos metálicos con una profundidad limitada. Las capas de óxido son muy suaves y se frotan fácilmente. La frotación expone al metal subyacente y permite una penetración más profunda de la oxidación en presencia de un ambiente con oxidantes corrosivos.

El desgaste corrosivo generalmente es causado por el agua (humedad) u otros líquidos o gases corrosivos. Tales ácidos de proceso o formaciones de ácido carboxílico pueden producirse durante la degradación del lubricante por su exposición al oxígeno a elevadas temperaturas. Cuando estas sustancias corrosivas quedan atrapadas en el lubricante, las superficies metálicas tienden a oxidarse.

Entre los métodos para la detección de sustancias corrosivas en el aceite están la titulación por Karl Fischer, permitividad dieléctrica (ASTM D7416), espectrometría infrarroja, número ácido (AN) y número básico (BN). Las partículas de desgaste corrosivo en el aceite son más fáciles de reconocer utilizando el análisis espectrométrico (AES) como el de electrodo de chispa (ASTM D6595), el cual es ideal para el monitoreo de la concentración de pequeñas partículas (5 micrones y menos) en partes por millón.

Las partículas de desgaste corrosivo comúnmente son un óxido metálico, y la mayoría de los óxidos metálicos son de color negro y ultra-finos. Sin embargo, algunas veces pueden observarse escamas de óxido rojizas. Las técnicas de APD descritas anteriormente son apropiadas para estos análisis.

 

Fatiga

El desgaste por fatiga es la consecuencia de la fractura de sub-superficie, causada por la acumulación de cargas de contacto rodante entre los rodillos/bolas y las pistas, y en las líneas de contacto de los dientes de engranes. La fatiga es un proceso de endurecimiento por trabajo durante el cual las dislocaciones migran a lo largo de planos de deslizamiento a través de una morfología metálica cristalina. Con el tiempo, el endurecimiento metálico progresa a grietas sub-superficie acompañadas de emisiones acústicas, como terremotos en miniatura.

La fatiga pasa de grietas incipientes a grietas interconectadas y, finalmente, forma astillas u hojuelas. Esto ocurre cuando las grietas se intersectan con las superficies, permitiendo que los trozos y las hojuelas sean arrastradas por el fluido lubricante. El contacto rodante subsecuente produce trozos y hojuelas en mayor cantidad y de mayor tamaño.

La emisión acústica o análisis de ondas de esfuerzo, como PeakVue^TM, puede detectar agrietamiento sub-superficie que eventualmente produce desgaste por fatiga. La espectroscopía de fluorescencia de Rayos X (XRF) y las mediciones de densidad ferrosa se utilizan para detectar partículas de desgaste introducidas en el lubricante.

Cuando estas partículas son analizadas usando técnicas de APD, por lo general se ven como trozos o plaquetas irregulares. También son benéficos los enfoques basados ​​en el estándar ASTM D7596.

 

 

 

 

Lubricación límite (adhesión)

La lubricación límite es un régimen de lubricación en el que las cargas son transferidas por contacto metal-metal. Para la mayoría de los diseños de máquinas, esto es anormal, ya que los métodos de lubricación preferidos proporcionan una película lubricante gruesa entre las superficies para el soporte de la carga. Una lubricación inadecuada da como resultado lubricación a película límite debido a una de cuatro razones: falta de lubricante, baja viscosidad, carga excesiva o baja velocidad (o una combinación de estas).

La lubricación normal bajo contacto rodante está diseñada para producir una lubricación elastohidrodinámica (EHD), que se encuentra en los rodamientos, en donde la película fluida normalmente es de 1 a 5 micrones de espesor entre los elementos rodantes y las pistas. La lubricación normal en cojinetes produce la lubricación hidrodinámica, en donde la película fluida es de 50 a 100 micrones de espesor.

Cuando la lubricación normal se rompe debido a cualquiera de las cuatro razones mencionadas anteriormente, la carga entre las superficies en movimiento se transfiere por el contacto metal-metal y la fricción aumenta a niveles muy altos. Las temperaturas de contacto se vuelven extremadamente altas, produciendo partículas de desgaste fundidas, manchadas y oxidadas. La fricción de contacto también genera altos decibeles de ruido ultrasónico y audible.

Las mediciones ultrasónicas de contacto o las técnicas de análisis de onda de esfuerzo de alta frecuencia, como PeakVue^TM, son capaces de detectar la fricción producida por la lubricación límite (contacto metal-metal). Otras técnicas relacionadas con la degradación del aceite, tales como viscosidad, resistividad dieléctrica (ASTM D7416), AN y BN también son pertinentes en este caso. Las partículas se pueden cuantificar a través de técnicas de ferrografía y XRF.

Las partículas de desgaste por fatiga, que pueden ser capturadas utilizando técnicas de APD, incluyendo ASTM D7596, típicamente demuestran los efectos de las temperaturas extremas con evidencia de arrastre de superficie metal-metal.

Mecanismos de falla específicos de la aplicación

Además de los cuatro mecanismos principales mencionados anteriormente, hay otros cuatro mecanismos que contribuyen a las fallas de los componentes de las máquinas. Estos cuatro modos no están tan generalizados como la abrasión, la corrosión, la fatiga y el desgaste adhesivo, sin embargo, en aplicaciones particulares, los depósitos, erosión de la superficie, la cavitación y la descarga eléctrica puede ser de importancia crítica.

Acumulación de depósitos

La acumulación de depósitos es diferente de los otros modos de falla, ya que implica la colocación de material en lugar de la eliminación de material. Aunque no es un mecanismo de desgaste, añadir material extraño que cause daño u obstruya conductos o aberturas es otro mecanismo de falla de un componente.

La acumulación de depósitos en componentes de la maquinaria puede provocar problemas graves. Es probable que los materiales depositados típicamente son transportados por un gas o fluido a las superficies de la máquina donde se acumulan. Los rebordes y otras superficies de ventiladores e impulsores tienden a acumular fibras y las partículas de desgaste transportadas en el líquido o gas que está siendo bombeado. Estos depósitos tienden a desbalancear y afectar negativamente el desempeño. Los compartimientos con frecuencia recogen partículas de desgaste y lodos, haciendo muy difícil mantener la limpieza del sistema durante y después de un aumento en la circulación de aceite. Las válvulas de control y otras superficies internas a veces acumulan depósitos de barniz, que pueden afectar gravemente su desempeño.

El análisis de vibraciones es capaz de identificar de forma no intrusiva el desbalanceo y otras afectaciones al desempeño causadas por depósitos de material en componentes rotativos. La espectroscopía infrarroja, colorimetría de membrana y voltametría son herramientas útiles para detectar muchos problemas asociados con los mecanismos de sedimentación electroquímica. Se aconseja efectuar inspección visual y limpieza periódica en aplicaciones en donde es inevitable la acumulación de depósitos, como en el caso de extractores/ventiladores de aire y bombas. Puede utilizarse la prueba de membrana para observar muchas formas de partículas, semi-sólidos y cuerpos de color que pueden depositarse en las superficies y conducir a la formación de barniz.

Erosión

La erosión se produce cuando se retira material debido al impacto de partículas sobre una superficie. La limpieza por chorro de arena (sand-blasting) es un excelente ejemplo de desgaste por erosión. Los propietarios de automóviles en zonas desérticas a menudo recubren sus vehículos con una capa adicional de polímero transparente para proteger el acabado. De lo contrario, la pintura se remueve rápidamente, dejando al descubierto el metal desnudo en el toldo y las defensas.

La forma más simple de monitoreo de condición es identificar ópticamente una nube de partículas impulsada por el fluido sobre una superficie sólida. El examen visual es una forma recomendada para detectar la evidencia de erosión. Por lo general es poco práctico efectuar el análisis de partículas de desgaste causado por erosión, ya que es abrumadora la cantidad de material sólido que la causa.

Cavitación

El desgaste por cavitación se experimenta comúnmente en la parte posterior de los impulsores. Un vacío de baja presión crea huecos o burbujas en un líquido, que colapsan cuando retorna la presión. A continuación, el fluido se acelera para llenar los huecos. A medida que el fluido llena los huecos que han colapsado, se acelera a velocidades supersónicas, y las ondas de choque causan daños materiales en el lado posterior del impulsor. El daño desprende material, dejando hoyos o picaduras en la superficie.

La emisión acústica y el análisis de ondas de esfuerzo como PeakVue son capaces de identificar la cavitación. Sin embargo, es poco probable que el análisis de partículas de desgaste detecte daños en el impulsor debido a la cavitación. Por lo tanto, se recomienda que los impulsores se inspeccionen visualmente a intervalos oportunos para buscar signos de cavitación y otra evidencia de deterioro físico.

Descarga eléctrica

Los motores eléctricos a veces producen corrientes en el eje, que viajan a lo largo del eje, pasan a través del espesor de la película de aceite del rodamiento y regresan a través de la carcasa de la maquinaria hacia la tierra. Por lo general, el espesor de la película lubricante es de aproximadamente 1 micrón en rodamientos y de 50 micrones en cojinetes planos.

Los lubricantes son buenos fluidos “dieléctricos” aislantes. Los arcos de descargas eléctricas pasan a través del espesor de la película de lubricante golpeando las superficies metálicas en ambos lados y creando daños en la superficie bajo un intenso calor y el choque de microscópicas descargas eléctricas. En rodamientos de rodillos, este proceso se denomina a veces “estriado” debido a un patrón simétrico relacionado con la posición de los rodillos sometidos a descarga eléctrica repetida.

Las corrientes eléctricas en el eje se pueden identificar usando un multímetro para detectar el paso de corriente desde la tierra a través de un cepillo metálico en contacto con el eje. La electroerosión puede identificarse mediante emisión acústica o la técnica de medición de ondas de esfuerzo como PeakVue^TM.

Las partículas de electroerosión suelen ser expulsadas ​​como metal fundido, que se solidifica en forma esférica similar a la “escoria de soldadura”, con una superficie de color negro, parcialmente oxidada. A diferencia de la escoria de soldadura, que por lo general es de 50 a 100 micrones de tamaño, estas partículas pueden ser relativamente pequeñas.

Combinando análisis de aceite y vibraciones

Para monitorear efectivamente la maquinaria rotativa en plantas industriales, es recomendable combinar técnicas de vibración y análisis de aceite. El análisis de vibración abarca una serie de medidas proactivas, en particular la resonancia, soltura, desalineación, desbalanceo, montaje incorrecto y operación transitoria desde el arranque o desacelerando. El análisis de aceite es adecuado únicamente para mediciones proactivas, como el análisis de los lubricantes nuevos, control de contaminación, medición de cantidad de agua y partículas en el aceite, y para determinar cuando el aceite se ha degradado y no está apto para su uso.

Juntos, el análisis de aceite y el análisis de vibración proporcionan evaluaciones predictivas complementarias para el desgaste de la máquina y el estado de la falla de un componente, monitoreando su progreso desde el estado incipiente a casi catastrófico.