Análisis de Fallos Integral: Prevención de Pérdidas de Equipos y Reducción de Costes

Análisis de Fallos

Los fallos de componentes y ensamblajes de equipos, o estructuras en la industria pueden causar pérdida de vidas, paradas no programadas, aumento de costes de mantenimiento y reparación, y disputas legales perjudiciales.

Para prevenir la recurrencia futura del problema causado por los fallos, es esencial llevar a cabo una investigación en cada fallo. La realización de una investigación para un fallo se conoce como análisis de fallos.

El análisis de fallos es un proceso de recopilación y análisis de datos y se lleva a cabo para determinar las causas o factores que han llevado a la pérdida no deseada de funcionalidad o fallos de componentes y ensamblajes de equipos, o estructuras. Es un proceso multinivel que incluye investigación física. El alcance normal de un análisis de fallos es encontrar el mecanismo de fallo y la causa más probable del fallo. El término mecanismo de fallo se describe normalmente como el proceso metalúrgico, químico, mecánico o tribológico que conduce a un modo de fallo particular.

Causas de Fallo

Los fallos de componentes y ensamblajes de equipos, o estructuras ocurren como resultado de algún tipo de error que causa un eslabón débil en la cadena del proceso continuo de ingeniería, diseño, fabricación y operación. La causa de un fallo puede ser cualquiera uno o más de los siguientes.

• Fallo en el diseño
• Defectos en el material
• Deficiencias durante el procesamiento y fabricación
• Defectos en el ensamblaje o instalación
• Condiciones de servicio fuera de diseño o no intencionadas
• Deficiencias en el mantenimiento (negligencia y procedimientos, etc.)
• Operación inadecuada

Pasos Principales en el Análisis de Fallos

Los pasos principales al realizar un análisis de fallos se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1 Pasos principales en el análisis de fallos

El principio principal de un análisis de fallos es preservar la evidencia y la información necesaria de la pieza o ensamblaje en cuestión en la condición tal como se recibió y lo mismo se captura antes de que se haga algo para alterar su condición. Además, durante el análisis de fallos es necesario realizar pruebas en orden de menos destructivas a más destructivas en naturaleza.

El análisis de fallos comienza con la recopilación de información concerniente al historial del componente involucrado en el fallo, como: (i) proceso involucrado, (ii) la aplicación, (iii) tipo de material, sus especificaciones, forma, dimensiones, y técnica de procesamiento, (iv) parámetros de diseño, (v) condiciones de servicio, (vi) historial de mantenimiento, (vii) secuencia de eventos precedentes al fallo, (viii) frecuencia de fallo y si es de naturaleza localizada, etc.

La inspección del sitio del fallo es un paso muy importante que ayuda en el análisis de fallos. Un examen exhaustivo de la condición del componente fallado en el sitio del fallo puede proporcionar mucha información. Durante la inspección del sitio, es necesario prestar atención a características como ubicación de grietas, características de fractura, perforaciones, depósitos, adelgazamiento de paredes, hundimiento, y piezas desprendidas, etc. Además, siempre que sea posible, es necesario obtener la mayor información posible de testigos presenciales sobre cualquier condición anormal precedente al fallo. En algunos casos, la inspección visual del componente fallado puede revelar información que no se puede obtener de otra manera.

Durante la inspección visual es importante fotografiar la máquina y alrededores, la pieza fallada y la pieza acoplada. La documentación fotográfica del componente fallado es siempre necesaria para referencia futura e inspección adicional después de abandonar el sitio. Es importante fotografiar todas las características del componente fallado.

La definición clara del problema es una parte esencial de un análisis de fallos. La profundidad de la información obtenida, la inspección del sitio, así como la habilidad y juicio de la persona que realiza el análisis de fallos ayudan a definir claramente el problema. Por ejemplo, el problema puede definirse como metalúrgico, mecánico o ambiental o una combinación de dos o más de ellos. Además, a través de discusiones con el personal concernido en el sitio y a través de la inspección visual, la persona que realiza el análisis de fallos puede reducir las diversas posibilidades. También, el fallo puede parecerse a un caso previo de fallo.

Basado en la causa probable de fallo según el problema definido durante la inspección del sitio, se desarrolla un programa experimental para determinar la causa del fallo. La naturaleza y número de experimentos seleccionados deben ser tales que conduzcan a identificar la causa del fallo. Las muestras necesarias para realizar los experimentos seleccionados deben extraerse cuidadosamente de manera que representen lo más posible todas las características del componente fallado. Los depósitos o piezas desprendidas del componente pueden proporcionar información valiosa. Siempre que sea posible, las muestras removidas de secciones sanas, así como muestras nunca usadas en servicio, también deben recogerse para propósitos comparativos.

Herramientas de Investigación

Las herramientas de investigación usadas en estudios de análisis de fallos son usualmente de dos tipos: (i) herramientas que pueden usarse en el sitio y (ii) herramientas de laboratorio.

La verificación del material con respecto a la especificación es un componente importante del análisis de fallos. Se realiza análisis químico y análisis de macroestructura y microestructura para este propósito. También se realizan pruebas mecánicas en caso de que haya material suficiente disponible para determinar resistencia a la tracción, tenacidad al impacto, etc., para evaluar las propiedades del componente fallado. En muchos casos, tanto pruebas de dureza superficial como microdureza se realizan para evaluar la resistencia mecánica. Estas pruebas se realizan en el componente fallado para determinar el cumplimiento de los resultados con las especificaciones.

El análisis de tensiones, mecánica de fractura, y análisis de fallo por corrosión son actividades muy valiosas en investigaciones de análisis de fallos. Estos análisis proporcionan información a la persona que investiga el fallo sobre si el material usado ha sido la elección correcta para cumplir los requisitos de su aplicación.

A partir del conocimiento de las condiciones de servicio como cargas o presión aplicadas, y geometría y tamaño del componente, es posible calcular las tensiones principales desarrolladas en la pieza. La comparación de la tensión principal máxima con la resistencia del material usado en la aplicación proporciona información importante al investigador del fallo sobre la idoneidad del material para la aplicación y si los parámetros de diseño se siguieron estrictamente durante el servicio.

El análisis usando los principios de la mecánica de fractura proporciona información valiosa al investigador del fallo sobre la tensión desarrollada en el componente fallado en el momento de la fractura en relación con la tensión de diseño, particularmente en el caso de propagación de grieta por un mecanismo frágil.

En caso de fallo por fatiga, es importante determinar el número de ciclos precedentes a la fractura por un mecanismo de fatiga. El método basado en medir el espaciado de estrías de fatiga es usualmente conveniente siempre que las estrías sean claramente visibles en las superficies de fractura.

Un examen cuidadoso y exhaustivo de la macroestructura (ampliación usual 10x) y microestructura del material involucrado en el fallo puede proporcionar pistas importantes. Si es posible, las características estructurales de muestras removidas del componente fallado con las representativas de muestras removidas de secciones sanas, así como de muestras nunca usadas en servicio, deben compararse. También es necesario referirse a cualquier recomendación específica del fabricante del equipo respecto al uso del material.

El examen macroestructural puede proporcionar información sobre la trayectoria de la fractura y la ubicación desde la cual se originó, p. ej., superficie interna o externa.

La selección de la técnica adecuada para el examen microestructural depende del tipo de información requerida. Sin embargo, la microscopía óptica se emplea usualmente para comenzar para conocer las características microestructurales generales como tamaño y forma de grano, precipitados secundarios y su distribución, y microgrietas y su ubicación. Un tamaño de grano inusualmente grande es una indicación de que el material ha estado expuesto a una temperatura excesivamente alta. La forma del grano y la forma de los gemelos de recocido proporcionan información sobre la cantidad de trabajo en frío. El alargamiento de granos indica que el material ha sido trabajado en frío fuertemente. Los límites de gemelos doblados indican que el material se ha deformado plásticamente. Las líneas de deslizamiento finas dentro de los granos también indican la deformación plástica del material. Si se ven precipitados secundarios en la microestructura, entonces su naturaleza y morfología necesitan ser examinadas.

Durante el examen de las características microestructurales es necesario prestar atención a la presencia de microgrietas. Por ejemplo, grietas de contorno de grano pueden resultar de deformación por fluencia o fragilización de los contornos de grano por precipitados de una fase secundaria.

Aunque es posible obtener mucha información sobre las características de la fractura por examen visual, el examen microestructural de la superficie de fractura usando un microscopio electrónico de barrido es necesario para conocer el mecanismo que fue responsable de la fractura. Una fractura puede ocurrir por sobrecarga repentina o por propagación de una grieta hasta el punto que causa fractura. La propagación de grieta puede tener lugar por diferentes mecanismos. Por tanto, es necesario conocer la morfología de la superficie de fractura para encontrar el mecanismo que ha causado la fractura.

Durante el examen visual, si se notan depósitos de corrosión, entonces es necesario determinar la naturaleza de los depósitos. El depósito puede ser óxido, sulfuro, cloruro o carburo, etc. En caso de depósitos de corrosión, es necesario conocer la naturaleza del entorno de operación y la resistencia a la corrosión del material a ese entorno.

Es muy importante para la persona que investiga el fallo distinguir entre el modo de fallo y la causa del fallo. A veces los dos términos se mezclan, llevando a gran confusión. Para prevenir fallos futuros, es esencial identificar la causa del fallo. Como ejemplo, el modo de fallo es dureza superficial inadecuada del componente fallado, pero la causa del fallo puede estar relacionada con la selección incorrecta del material o condiciones de operación inadecuadas.

La interpretación precisa y detallada de todos los datos obtenidos durante las diversas etapas del análisis de fallos es importante para un análisis de fallos. Sin ella, no se pueden extraer inferencias adecuadas que son necesarias para encontrar la causa exacta del fallo. La determinación inadecuada de la causa durante el análisis de fallos lleva a acciones correctivas incorrectas que no ayudan en la prevención de fallos futuros.

Las investigaciones de análisis de fallos no se completan sin un informe detallado. El informe debe incluir un conjunto de recomendaciones para prevenir fallos futuros. Las recomendaciones deben ser consistentes con los resultados de la investigación. Además, las recomendaciones pueden proporcionar soluciones a corto plazo así como soluciones a largo plazo.