elementos de falla de una maquina

6 de septiembre de 2011 ELEMENTOS DE FALLA DE MAQUINAS ELECTROMECANICAS

INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS ADMINISTRACION DEL MANTENIMIENTO ELEMENTOS DE FALLA(BOMBAS, MOTORES ELECTRICOS, CALDERAS Y COMPRESORES)

PROFESOR.- ALBERTO FONSECA BELTRAN DURAN DOMINGUEZ CARLOS RENE 08440723 (LIDER) HEREDIA SOLANO EDGARDO ISRRAEL 08440745 OCHOA ARMENTA DANIEL GILBERTO 0844077106/SEPTIEMBRE/2011

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CALDERASResea Histrica: Uno de los problemas serios que tuvieron los ingenieros al final del siglo 19 era la explosin de las calderas. El calentamiento del agua para producir vapor y que esta energa sea convertida en energa para maquinaria de poder, contribuy enormemente a la revolucin en la produccin en dicho siglo. Construida para soportar altas presiones, se realizaron diversos tipos de recipientes y estos posean una incontrolada presurizacin del vapor, llevaron a que sean hechas de acero. Para querer una relajacin de esfuerzos en los materiales, seguridad en los mismos y apropiados recipientes, las calderas eran controladas diariamente en tierra y en mar para evitar explosiones con terribles consecuencias, para evitar esto, se cre el cdigo ASME para calderas y recipientes a presin publicado por primera vez en 1915. Causas caractersticas de fallas en equipos de vapor Las calderas y otros tipos de equipos de plantas de vapor estn sujetos a una variedad de fallas que envuelven uno o ms mecanismos severos. Los ms prominentes de estos mecanismos son la corrosin, la cual incluye tambin a la erosin; los procesos mecnico ambientales, incluyendo a la corrosin bajo esfuerzo y daos por hidrgeno; fracturas, incluyendo fractura por fatiga, fractura por fatiga trmica y ruptura por esfuerzos; y distorsin, especialmente la distorsin que envuelve la expansin trmica o creep. Clasificacin de las causas Estas pueden generalmente clasificarse como defectos de diseo, defectos de fabricacin, operaciones indebidas y un inadecuado tratamiento del agua. La mayora de las fallas en generadores de vapor ocurren en componentes presurizados, que son las tuberas y recipientes a presin que constituyen una buena porcin del sistema de generacin de vapor. Con pocas excepciones, las fallas en los componentes presurizados estn confinadas relativamente a componentes de pequeo dimetro utilizados para la transferencia de calor en los calderos.INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 2


Fallas que involucran ruptura sbita de tuberas En el diseo de las calderas, el calor suministrado por la combustin del combustible esta balanceado por la formacin de vapor en el horno y el calentamiento del vapor en los supercalentadores. El flujo de calor que se da en los tubos limpios de las calderas tiene 3 componentes. La transferencia de calor del lado del fuego desde la flama o por los gases calientes esta dada ambas por radiacin y conveccin. La radiacin predomina en los hornos, donde la temperatura del gas puede. La conduccin dada por los tubos de acero de la caldera, los cuales transfieren calor a los fluidos internos. El fluido interno alrededor del dimetro interior es un segundo modo de transferencia de calor por conveccin. Un desbalance del flujo de calor provoca una ruptura sbita de los tubos. La ruptura de los tubos de las calderas es una falla muy seria, porque en las calderas puede causar una inmediato aumento en la erosin de tubos adyacentes y provocar escapes de vapor en los lados de las paredes del horno, el sobrecalentamiento de otros tubos puede causar la perdida de la circulacin en la caldera y daar otros componentes del sistema, lo que resulta en una prdida del fluido de trabajo. La ruptura de tubos (excluyendo a la causada por esfuerzos de corrosin o fatiga, los cuales usualmente son el resultado de la operacin del equipo que de una fractura sbita) pueden clasificarse como rupturas causadas por sobrecalentamiento y rupturas causadas por fragilizacin. Fallas causadas por sobrecalentamiento Dentro de estas fallas tenemos a las causadas por una exposicin de larga duracin, provocada por la prdida de resistencia en el acero a alta temperatura y la de corta duracin provocadas por ejemplo, por la falta de agua en el sistema. Sobrecalentamiento de larga duracin Las fallas que resultan del sobrecalentamiento de larga duracin se presentan en tubos enfriados por agua o por vapor. Los tubos que quedan sujetos al sobrecalentamiento muchas veces contienen depsitos significativos, tienen un flujo reducido de refrigerante, experimentan una entrada de calor excesiva del lado del hogar o se encuentran cerca u opuestos a los quemadores. En las calderas en particular, los tubos de la pantalla de agua cercanas al lecho fundido que no estn cubiertos con material fundido y carbonoso solidificado, estn sujetos a este tipo de fallas, al igual que los tubos inclinados debido al encauzamiento del vapor.INSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 3


Este tipo de fallas suelen ocurrir en reas relativamente amplias y comprenden muchos tubos. Por lo general, muchos tubos se rompen o se comban el sobrecalentamiento de larga duracin es una condicin en la que la temperatura del metal sobrepasa los lmites de diseo durante das, semanas, meses o ms tiempo. Este tipo de sobrecalentamiento es la causa ms comn de fallas que cualquier otro mecanismo. Debido a que el acero pierde mucha resistencia mecnica a temperaturas elevadas, las probabilidades de una rotura causada por la presin interna normal aumentan a medida que se eleva la temperatura. El sobrecalentamiento de larga duracin depende de la temperatura, el tiempo que se mantenga esa temperatura y la metalurgia del tubo. Oxidacion trmica Un signo de sobrecalentamiento de larga duracin puede ser una capa gruesa, frgil y oscura de xido sobre las superficies tanto interna como externa. Si la temperatura del metal sobrepasa cierto valor para cada aleacin, la oxidacin trmica se har excesiva. A menudo, la capa de xido formado trmicamente tiene fisuras y grietas longitudinales. El adelgazamiento de la pared del tubo puede ser resultado de la oxidacin trmica cclica y el desprendimiento de costras. Este proceso puede continuar hasta que toda la pared se convierta en xido, con lo que se crea un agujero.

Falla de tubo de caldera por oxidacin trmica. Rotura por flujo plstico Es una forma de dao por sobrecalentamiento de larga duracin que produce una rotura de labios gruesos en la cspide de una comba. El flujo plstico produce una deformacin plstica lenta y, por ltimo, la coalescencia de micro vacos del metal durante el sobrecalentamiento. A menudo, se tendrINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 4


una pequea fisura longitudinal en la cspide de. La rotura suele tener bordes romos y ligeramente dentados. En las cercanas, pueden existir roturas y fisuras longitudinalmente, similares pero ms pequeas.

Rotura por flujo plstico Labios gruesos con bordes romos Identificacin. Una capa gruesa y frgil de magnetita cerca de la falla indica sobrecalentamiento de larga duracin. Con temperaturas que se han elevado mucho, la reduccin en la resistencia mecnica del metal es tal que la falla ocurre antes de que puedan desarrollarse cantidades significativas de xidos. La combadura y la deformacin plstica casi siempre estn presentes, si el tubo se encuentra a presin. La rotura casi siempre es longitudinal, con forma de boca de pez. Los bordes de la rotura pueden ser como cuchillas o estar gruesas, dependiendo del tiempo, la temperatura y los niveles de presin que hayan intervenido. Pueden presentarse combas mltiples. Por lo comn se encontrarn presentes depsitos del lado del agua y a menudo sern duros y estratificados. Ser comn que los depsitos sean horneados sobre la pared y se volvern duros y frgiles. Los depsitos tienden a mostrar capas mltiples de colores y texturas diferentes, encontrndose que las ms internas son las ms duras y ms tenaces. Forma de eliminacin de este tipo de fallas Para eliminar este problema se requiere de la supervisin de un defecto crnico del sistema. Se deben quitar los depsitos excesivos por limpieza qumica o mecnica y evitar su recurrencia. Deben revisarse los procedimientos de combustin, el valor en Btu de los combustibles y las temperaturas en servicio del hogar cerca de las reas sobrecalentadas. Debe identificarse y eliminarse la fuente de los depsitosINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 5


significativos. Las causas comunes de depsitos incluyen el tratamiento incorrecto del agua, la contaminacin del sistema, la operacin incorrecta de la caldera o la entrada excesiva de calor, o ambas cosas. Sobrecalentamiento de corta duracin Este tipo de fallas se asocia a los tubos enfriados por vapor o por agua. Cuando el nivel bajo del agua es la causa, las fallas muchas veces ocurrirn cerca de la parte superior de las pantallas de agua, en las cercanas de los colectores de vapor. Un solo tubo roto en medio de otros tubos que en apariencia no han sido alterados sugiere un taponamiento o cualesquiera otros problemas relacionados con el flujo. Ocurre cuando la temperatura del tubo se eleva por encima de los lmites de diseo durante un breve periodo. Dependiendo de la temperatura, la falla puede ocurrir en un tiempo muy corto. La falla suele ser causada por un trastorno en la operacin de la caldera. Las condiciones que conducen a un sobrecalentamiento de corta duracin son el taponamiento parcial o total del tubo y el flujo insuficiente de refrigerante, debido a condiciones alteradas o una entrada excesiva de calor del lado del hogar, o ambas cosas. Como el sobrecalentamiento de corta duracin con frecuencia tiene poco que ver con la qumica del agua, los esfuerzos deben concentrarse en los procedimientos de operacin y el diseo del sistema. Identificacion Con frecuencia el sobrecalentamiento de corta duracin se puede identificar mediante examen metalogrfico. Un anlisis de este tipo requiere que el tubo se seccione para su examen microscpico. La mayor parte de las otras tcnicas de identificacin son menos eficaces. Varios factores que se presentan muchas veces en las fallas causadas por el sobrecalentamiento de corta duracin es la expansin uniforme del tubo, la ausencia de depsitos internos significativos, la ausencia de grandes cantidades de magnetita formada trmicamente y la rotura violenta. El sobrecalentamiento de corta duracin puede producir combadura. En el sobrecalentamiento muy rpido, se pueden presentar una rotura longitudinal de paredes gruesas o una rotura longitudinal con forma de boca de pez. A temperaturas elevadas, la resistencia mecnica del metal se reduce en forma marcada.


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Sobrecalentamiento de corta duracin Efecto de los depsitos Se pueden producir depsitos en cualquier parte en donde se encuentren presentes agua o vapor en una caldera. Los depsitos en los tubos suelen estar formados por productos de la corrosin que han sido arrastrados desde sus sitios originales. Los colectores de sedimentos y de vapor con frecuencia contienen depsitos. En virtud de que los colectores tienen fcil acceso, una inspeccin visual puede dar muchos detalles acerca de la qumica del agua y de los procesos de formacin de depsitos.

Caractersticas El trmino depsitos se refiere a materiales que se originan en otra parte y son transportados hasta un lugar en que se depositan. Los depsitos no se pueden definir como productos de corrosin que se forman en el lugar, aunque los productos de corrosin que se forman en otro lugar y, a continuacin, se depositan reciben ese calificativo.

Deposito en el interior de los tubos.


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Los depsitos de la caldera provienen de cuatro fuentes: los minerales arrastrados por el agua, los productos qumicos para tratamiento, los productos de corrosin y los contaminantes. Factores crticos La rapidez a la que se forman los depsitos sobre las superficies de transferencia de calor es controlada principalmente por la solubilidad y la tenacidad fsica del depsito y la magnitud del lavado del agua que ocurre en donde se genera el vapor. Una pequea cantidad relativamente pequea de depsito puede hacer que las temperaturas de la pared se eleven en forma considerable. Una regla emprica referente a la limpieza del tubo sugiere que las calderas de alta presin (superiores a 1800 psi) se consideran relativamente limpias si los tubos enfriados por agua se encuentran presentes menos de 15 mg/cm2 de depsitos. Esta cantidad de depsitos es tpica de casi todas las clases de calderas limpias, sin importar la qumica del agua, el tipo de caldera o el combustible. Los tubos de caldera que contienen ms de 40 mg/cm2 se consideran muy sucios. Fallas causadas por fragilizacin. Daos por hidrgeno. Esta forma de deterioro es resultado directo de las reacciones electroqumicas de corrosin en las que se libera hidrgeno en forma atmica. El dao causado por el hidrgeno se restringe a los tubos enfriados por agua que se estn corroyendo en forma activa. Estudios realizados ha demostrado que el dao por hidrgeno rara vez ocurre en calderas que operan debajo de los 1000 psi. El dao por hidrgeno se puede presentar en donde las reacciones de corrosin conducen a la produccin de hidrgeno atmico. El dao puede provenir de una reaccin de corrosin por alto pH o de una reaccin de corrosin por bajo pH. El hidrxido de sodio concentrado disuelve el xido magntico de hierro. Con la cubierta protectora destruida, entonces el agua puede reaccionar directamente con el hierro para desprender hidrgeno atmico. El hidrxido de sodio tambin puede reaccionar con el hierro para producir hidrgeno. Si se libera hidrgeno atmico, puede difundirse hacia el acero. Parte de este hidrgeno atmico difundido se combinar en las fronteras de los granos del metal para producir hidrgeno molecular o metano. En estos gases se acumulan hasta que las presiones causan la separacin del metal en las fronteras de sus granos, con lo que se producen micro grietas nter granulares discontinuas. AlINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 8


acumularse, la resistencia mecnica del tubo disminuye hasta que los esfuerzos por la presin sobrepasan la resistencia del metal. En este punto se puede tener un estallido longitudinal de pared gruesa. Con frecuencia ser volada una seccin grande y rectangular de la pared. Identificacin En general, no es posible identificar en forma visual el dao por hidrgeno antes de la falla. Por lo comn, el dao por el hidrgeno es difcil de detectar por medios no destructivos, aun cuando se han ideado tcnicas ultrasnicas complicadas para revelar el metal daado de esta manera. Las verificaciones ultrasnicas del espesor pueden descubrir reas.

Rotura inducida por el hidrgeno Forma de eliminacin de este tipo de fallas Dos factores crticos rigen la susceptibilidad al dao por el hidrgeno. Estos son la disponibilidad de sustancias de alto o bajo pH y un mecanismo de concentracin. Los dos deben estar presentes en forma simultnea para que ocurra el dao por el hidrgeno. Para eliminar la disponibilidad de sustancias de alto o bajo pH, deben seguirse los pasos siguientes: Reducir la cantidad de hidrxido de sodio libre del que se disponga, Evitar la liberacin inadvertida de productos qumicos de regeneracin, Impedir la infiltracin al condensador, Evitar la contaminacin del vapor y del condensado por las corrientes de procesos, Impedir la salida desde la ebullicin nucleada, Impedir la formacin excesiva de depsitos de lado del agua y Evtar la formacin de lneas de nivel del agua. Grafitizacin Es un cambio microestructural de los aceros de bajo carbn que ocurre a una temperatura moderada en periodos largos de tiempos. La grafitizacin resulta de la descomposicin de la perlita en ferrita y carbn y puede fragilizar ciertas partes del acero. La grafitizacin y la formacin de carbono esferoidalINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 9


son mecanismos que comprende la descomposicin de la perlita. El rango de descomposicin es dependiente de la temperatura para ambos mecanismo, y cada mecanismo tiene diferentes energas de activacin. Esta generalmente se presenta despus de un sobrecalentamiento de larga duracin, en donde los ndulos de grafitos se encadenan entre s, lo que al disminuir la resistencia debido a las presiones internas, causa que el metal se desgarre por esta zona, al igual como lo hace una estampilla de la hoja que la contiene a lo largo de los borde perforados.

FALLAS CAUSADAS POR CORROSIN Corrosin en el lado del agua La corrosin ms comn encontrada en el lado del agua es debida al oxgeno. Las tres maneras de que el oxgeno pueda ser admitido por el lado del agua en los sistemas de vapor son: durante la operacin, el aire puede quedar encerrado en el sistema en regiones donde la presin interna es menor que la atmosfrica. Usualmente, el aire es admitido en el sistema cada vez que es abierta para ser reparada o limpiada. El oxgeno libre esta relacionado tambin como un producto de la disociacin molecular del agua. Tipos de corrosin en calderas en el lado del agua La corrosin superficial ataca pequeas reas, porque comienza como un nodo para el resto de la superficie o porque esta localizado en una alta concentracin de contaminantes corrosivos en el agua. Es el resultado directo de un rompimiento pasivo de una pelcula en la superficie frecuentemente. Esto ocurre relativamente rpido, resultando en una rpida perforacin, debido al largo radio del rea ctodo a nodo. En la corrosin con fisuras, el oxgeno es excluido de en medio de 2 superficies, depsitos o partculas en la superficie. El rea con la fisura, o con los depsitos, es un rea andica en sus alrededores por las diferencias en la concentracin de oxgeno. El rea andica esta sujeta relativamente a un rpido ataque, debido a la pequea relacin existente alrededor del rea catdica. Corrosin en el lado del fuegoINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 10


A excepcin de muchos combustibles gaseosos, la combustin de combustibles fsiles producen slidos, lquidos y componentes gaseosos que pueden provocar corrosin en los componentes estructurales y las superficies de transferencia de calor. Adicionalmente, los depsitos slidos y residuos lquidos en los pasajes de los gases pueden alterar las caractersticas de transferencia de calor del sistema, con un potencial efecto severo en la eficiencia del sistema y en la temperatura de las paredes de los tubos. Los aceites combustibles tienen cenizas que no frecuentemente exceden el 0.2%. La corrosin de la quema de estos aceites puede causar problemas, debido a los depsitos naturales de cenizas de aceite. Muchos de los contaminantes en los aceites combustibles son el vanadio, el sodio y los sulfuros elementos que tienen variados componentes, muchos de los cuales son extremadamente corrosivos. Corrosin por oxidacin Uno de los problemas de corrosin que se encuentra con ms frecuencia es resultado de la exposicin del metal de la caldera al oxgeno disuelto. Como los xidos de hierro son un estado estable y natural, los aceros volvern a esta forma, si las condiciones son favorables desde el punto de vista termodinmico. En general, las condiciones son favorables si el acero que no est cubierto por la forma protectora del xido de hierro se expone a agua que contenga oxgeno. Adems de la perforacin de la pared del tubo, la corrosin por oxgeno es problemtica desde otra perspectiva. Las picaduras por oxgeno pueden actuar como sitios de concentracin de esfuerzos, fomentando de esta manera el desarrollo de grietas por fatiga con corrosin, grietas custicas y otras fallas relacionadas con los esfuerzos. Factores crticos Los tres factores crticos que rigen el arranque y progreso de la corrosin por oxgeno incluyen la presencia de humedad o de agua, la presencia de oxgeno disuelto y una superficie no protegida del metal. Una superficie no protegida del metal puede ser causada por tres condiciones: La superficie metlica est desnuda; por ejemplo, despus de una limpieza con cido. La superficie metlica est cubierta con un xido de hierro marginalmente protector o no protector, como la hematita. La superficie metlica est cubierta con un xido de hierro protector, como la magnetita, pero existen zonas descubiertas o grietas en el recubrimiento. IdentificacinINSTITUTO TECNOLOGICO DE LOS MOCHIS 11


Basta el simple examen visual, si las superficies daadas son accesibles. Si stas no son accesibles, es posible que se necesiten tcnicas de pruebas no destructivas, como las pruebas ultrasnicas.

Corrosin provocada por exceso de oxgeno en la caldera Forma de eliminacin de este tipo de fallas Los tres factores crticos que rigen la corrosin por oxgeno en una caldera son la humedad o el agua, el oxgeno y una superficie metlica no protegida en forma adecuada. La proteccin con xito de una caldera inactiva durante una situacin de conservacin en seco depende de la eliminacin constante de la humedad o el oxgeno, o ambos. Un procedimiento para proteccin de la caldera en conservacin en seco puede comprender el uso de desecantes y capas de nitrgeno, o bien, la circulacin continua de aire seco y deshumificado (humedad relativa

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