Análisis de falla de componentes de ingeniería

Nº Revista: 
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Análisis de falla de componentes de ingeniería (*)

Por Gustavo Tovar S.

La palabra Falla es un término general que se utiliza para designar que un componente, equipo ó máquina ha fallado en servicio. Se considera que una pieza, máquina ó equipo ha fallado cuando ocurre una de las siguientes condiciones:

1. Cuando se vuelve completamente inoperable. Por ejemplo, cuando el eje que mueve las llantas de un automotor se rompe, el automotor se vuelve completamente inoperable y generalmente, se requiere solicitar una grúa para transportar el vehículo al taller para cambiar el componente que falló.

2. Cuando el componente aún es operable pero no es capaz de cumplir la función para la cual fue concebido, diseñado y manufacturado. Siguiendo con el ejemplo de los vehículos automotores, cuando se pierden las tolerancias entre el cilindro y los anillos del pistón en un motor de combustión interna, por efecto de la fricción y de la corrosión, por los gases calientes de la combustión, el automotor pierde potencia y se incrementa el consumo de combustible y de aceite. En este caso, el vehículo todavía es operable pero no cumple su función satisfactoriamente.

3. Cuando el deterioro del componente ha llegado a una condición seria que lo hace inconfiable ó inseguro para continuar su utilización. Por ejemplo, cuando el deterioro del sistema de freno (pastillas, discos, etc.), de un automotor llega a una condición de deterioro tal que la operación del vehículo se vuelve insegura y se requiere reparar y cambiar los componentes que han fallado.

Las fuentes fundamentales de falla se han identificado a través del tiempo y son principalmente las siguientes.

Diseño

En 1950 cuando se inició la construcción de los primeros aviones comerciales de reacción (jet), se presentaron fallas catastróficas en vuelo de varias aeronaves Comets de fabricación Inglesa.

La causa fue asociada a un defecto de diseño, debido a los altos esfuerzos alrededor de las ventanas, causados por las esquinas agudas, en las cuales se iniciaron grietas pequeñas que se propagaron y condujeron a la fractura y a la explosión de las naves en pleno vuelo.

Selección inadecuada de material

En la década de 1960 a 1970, se presentaron fallas catastróficas en los aviones de combate F-111 de la Fuerza Aérea Americana (USAF), en la unión de las alas al fuselaje, las cuales se debieron a la selección de un material muy frágil para la unión.

Tratamiento térmico defectuoso

Los tratamientos térmicos deficientes pueden generar microgrietas y fractura de los componentes después del tratamiento ó al poco tiempo de servicio. En el caso del componente de unión de las alas al fuselaje de los aviones F-111, en el transcurso de la investigación se concluyó que no solamente la selección deficiente del material frágil fue la determinante de la falla, sino que contribuyó además el procedimiento de tratamiento térmico del acero de alta resistencia D6 AC, el cual produjo una microestructura desuniforme en la pieza de la unión.

Manufactura defectuosa

Por ejemplo en las piezas de fundición, la presencia de porosidad en zonas de esfuerzos, puede producir concentraciones de esfuerzo en los poros, generar iniciación de grietas en éstos defectos y conducir a la ruptura de los componentes. Otro tanto sucede con las uniones soldadas en las cuales defectos de agrietamiento, inclusiones de escoria, etc., pueden producir la ruptura de la unión.

Mecanizado defectuoso

La presencia de marcas de mecanizado en componentes sometidos a esfuerzos cíclicos repetidos puede acortar la vida de fatiga de estas piezas. Los ángulos muy agudos en los cuñeros producen concentraciones de esfuerzo en la raíz de estos ángulos, en los cuales se pueden generar grietas y ruptura en los componentes sometidos a esfuerzos cíclicos repetidos.

Montaje defectuoso, operación y mantenimiento deficientes

El autor tuvo conocimiento de la falla del eje de un motor de una máquina pasteurizadora. La investigación sobre la composición y la estructura del material de construcción del eje, reveló que se había empleado el material correcto y que había defectos de manufactura. Sin embargo, al inspeccionar el montaje del eje del motor al eje del reductor, se encontró que los soportes de los dos componentes estaban desalineados. Esta situación produjo una condición de esfuerzos anormales en el eje que provocaron la ruptura de este componente.

Existen también muchas fallas que se deben a operación incorrecta del equipo, por fuera de las especificaciones de operación y/o diseño. Por ejemplo, el aumento de 15° C en la operación de una planta de procesamiento para lograr mayor producción, produjo la destrucción del equipo en tres meses. En este caso al sobrepasar la máxima temperatura de diseño del equipo, se aumentó exponencialmente la rata de corrosión y condujo al deterioro de los materiales de construcción del mismo.

También el mantenimiento del equipo puede ocasionar falla en los componentes. El autor recuerda el reclamo de los operarios sobre el desgaste prematuro del eje de los tambores de una etiquetadora. Al inspeccionar el equipo se encontró que las graseras de lubricación de los ejes estaban completamente taponadas. La falta de lubricación adecuada estaba produciendo el desgaste prematuro de estos componentes, con las consecuentes paradas de producción para cambiar los ejes desgastados.

Una falla específica se puede atribuir a alguno de los factores mencionados anteriormente que actuaron independientemente ó a la interacción de varios de ellos.

La causa exacta de una falla no es fácil de descubrir y el problema puede resolverse después de una investigación intensiva.

Los análisis detallados de falla de los componentes constituyen herramientas valiosas de análisis en muchos aspectos de la Ingeniería, entre los cuales enumeramos los siguientes:

a) Para prevenir fallas en el futuro.

b) Para establecer la validez de los diseños y de la selección de los materiales.

c) Para descubrir defectos en el procesamiento de los materiales por intermedio de la caracterización de los defectos.

d) Para revelar problemas introducidos durante la manufactura ó la fabricación de los componentes.

 

El proceso de la investigación de las fallas

Para el analista de fallas, el principio ocurre cuando se le llama y se le presenta el caso. Sin embargo, se debe considerar que el componente se concibió, se diseñó y se manufacturó durante un período previo que puede ser de horas ó de varios años de servicio. Esto significa que es importante estudiar el significado de determinar la historia previa a la falla y programar el curso de acción subsiguiente.

Las etapas del análisis de falla

Aun cuando la secuencia de un análisis puede variar dependiendo de la naturaleza específica de la falla, las principales etapas que comprenden la investigación y el análisis de falla son:

1. Evidencia documental

Es necesario recolectar información relacionada con la evidencia documental tales como certificado de ensayo de los fabricantes ó vendedores, especificaciones, planos que indiquen la forma y las dimensiones del equipo ó del componente, las garantías y los aspectos legales.

2. Condiciones de servicio

Recopilar información relacionada con la operación actual del equipo ó del componente. Datos sobre niveles de temperatura, presión, velocidad de operación, para compararla con las especificaciones. Datos sobre el mantenimiento del equipo, sobre las condiciones ambientales, fluidos que lo rodean, datos sobre humedad, contaminación, condiciones de limpieza, etc.

3. Entrevistas

Ninguna investigación es completa sin el testimonio de las personas que tienen información sobre la falla. El investigador deberá utilizar esta información como herramienta de análisis y no enfatizar irrazonablemente la información recolectada en las entrevistas sin analizarlas juiciosamente.

4. Examen preliminar del componente o del equipo que falló

Inspección visual de las superficies de fractura y trayectoria de las grietas. Presencia de desgastes severos. Sobre estas inspecciones se deberá realizar la documentación fotográfica pertinente.

5. Selección de las muestras para ensayo

El investigador deberá seleccionar las localizaciones de las muestras que se van a someter a los ensayos, indicando la forma y el tamaño de las muestras. Asimismo se debe especificar el procedimiento para tomar las muestras.

6. Ensayos no destructivos

Son muy útiles en la investigación de la falla, particularmente las inspecciones con líquidos penetrantes, partículas magnéticas, ultrasonido, corrientes de Eddy, para detectar grietas y discontinuidades superficiales. También la radiografía y la gammagrafía para el examen interno.

7. Ensayos mecánicos

De acuerdo a la carga predominante de servicio y al tipo de material, pueden requerirse probetas para el Ensayo de Tensión, compresión, flexión ó impacto. Los Ensayos de Dureza son muy útiles y económicos.

8. Selección, preservación y limpieza de las superficies de fractura

La selección adecuada, la preservación y la limpieza de las superficies de fractura, son importantes para impedir que se destruyan ó se oscurezcan detalles y evidencias importantes para el análisis de la falla.

9. Examen y análisis macroscópico

De las superficies de la fractura, presencia de grietas secundarias y otros fenómenos superficiales tales como corrosión, desgaste, erosión, etc.

Este examen se realiza con ayuda del estereomicroscopio, pero puede emplearse también Microscopio Electrónico de Barrido (SEM).

10. Examen microscópico de la estructura

Para este examen se puede utilizar el Microscopio Óptico, el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) ó el Microscopio Electrónico de Transmisión (TEM). Es necesario seleccionar las muestras y seguir los procedimientos convencionales de corte, montaje, pulido en papeles de esmeril de grado decreciente y pulido final con Alúmina o con pasta de diamante. Finalmente el ataque con reactivos específicos dependiendo del material.

11. Determinación del tipo de fractura (fractografía )

Es importante para el análisis determinar el tipo y las características de la fractura (frágil, dúctil, combinada, morfología de fatiga, torsión, etc.).

12. Análisis de composición

Con el fin de verificar que el material corresponde al especificado ó al adecuado, es necesario realizar el análisis de composición del material del componente que presentó la falla. En fallas por corrosión es importante el análisis de los productos de corrosión. Para tal fin se pueden emplear Métodos Espectrográficos, de Espectrofotometría de absorción atómica, colorometría, fluorescencia de Rayos X, difractómetro de Rayos X ó métodos gravimétricos ó volumétricos de análisis químico convencional.

13. Ensayos simulados de servicio

En las etapas finales de una investigación, se puede requerir la realización de ensayos que simulen las condiciones que produjeron la ocurrencia de la falla. Por ejemplo, probetas de corrosión para uso en planta con el fin de monitorear el ataque corrosivo.

14. Análisis de resultados, conclusiones y recomendaciones

La etapa final de toda investigación sobre análisis de falla, termina con un informe en el cual se formulan los análisis de toda la información recolectada en las etapas y ensayos anteriores y se consignan las conclusiones sobre la causa de la falla. Además se acostumbra formular las recomendaciones pertinentes para evitar que en el futuro se presente nuevamente el mismo tipo de falla.

 

(*) Extractado del artículo publicado por el autor.