Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

Por Édgar Espejo Mora y Héctor Hernández Albañil

Este texto se diseñó para servir en cursos de pregrado y posgrado de análisis de fallas de elementos mecánicos y estructuras, y como elemento de consulta para profesionales en ejercicio en esta área. Se presenta la metodología básica del análisis de fallas, así como una descripción detallada de la mayoría de modos de falla por deformación, fractura, desgaste y corrosión que se presentan en elementos mecánicos y estructuras metálicas. A lo largo del libro se usan ejemplos de casos de falla, cuyo análisis fue abordado por los autores, para poder describir mejor las características de cada modo de falla y sus causas más comunes.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad Nacional de Colombia
• Fecha de lanzamiento: 1 may 2017
• ISBN: 9789587830224

Vista previa del libro

tópico.

1

I

NTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS DE FALLAS

Cuando se ha detectado la ocurrencia de una falla de un elemento mecánico, se debe adelantar un procedimiento lógico y sistemático cuyo objetivo sea establecer el mecanismo de falla y el modo o modos de falla presentes en este, con lo cual se responde la pregunta ¿cómo falló?; también se busca determinar las causas organizacionales y humanas que permitieron la ocurrencia de dicho evento de falla, es decir, responder la pregunta ¿por qué falló?; a todo este procedimiento se le denomina análisis de fallas. Como consecuencia de un análisis de fallas se establecen responsabilidades y se toman las acciones correctivas necesarias que minimicen la recurrencia futura de la falla. Cuando el objetivo último de un análisis de fallas es determinar responsabilidades legales por pérdidas económicas, de vidas, reclamos de garantías, pagos de seguros, etcétera, allí se habla de que se hace un análisis de ingeniería forense. En la figura 1.1 se muestra la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense.

Figura 1.1 Diagrama de bloques que esquematiza la relación entre los análisis de fallas y los de ingeniería forense

Fuente: elaboración propia.

1.1 F

ALLAS Y SU CLASIFICACIÓN

Cuando una estructura, un elemento, un conjunto de elementos de máquinas o un equipo durante su operación son incapaces de brindar las prestaciones, o las condiciones de seguridad, o la eficiencia, o la operatividad, o los costos de operación y mantenimiento, o la vida de servicio, o demás indicadores de desempeño dentro de los límites especificados por el diseñador, se dice que ha experimentado una falla.

Así pues, un sistema mecánico ha fallado cuando: (a) deja de operar, por ejemplo, en el caso de la fractura del cigüeñal del motor de un vehículo, lo cual anula completamente su funcionalidad; (b) sigue operado de manera no satisfactoria, por ejemplo, si el motor de un vehículo tiene alguna obstrucción en el sistema de admisión de aire, que hace que genere menos potencia con consumos mayores de combustible, lo cual lo hace ineficiente pero no necesariamente anula su funcionalidad; (c) el hecho de seguirlo utilizando puede provocar a futuro daños mayores, que sería el caso de tener un motor de combustión, el cual tenga degradado el aceite por contaminación con fluido refrigerante, lo cual no anula la funcionalidad inmediata del motor, pero hacia el futuro puede acelerar los problemas de desgaste adhesivo de las partes móviles y corrosión interna.

A la situación (a) descrita en el párrafo anterior se le llama falla catastrófica, ya que se genera parada total del equipo, lo que implica pérdidas económicas por el lucro cesante y los costos de reparación, o incluso puede conducir a pérdidas de vidas como es el caso de la industria automotriz. Las situaciones (b) y (c) no implican pérdida de funcionalidad, pero la baja eficiencia generada o el acortamiento de la vida a desgaste y corrosión de los elementos internos del motor, hace que se trabaje por fuera de los límites de diseño, por lo que se les conoce como fallas no catastróficas. El problema de las fallas no catastróficas está en que en la práctica pueden llevar a subestimar sus posibles consecuencias, porque una persona con un mínimo de conocimiento técnico es consciente de las implicaciones de la obstrucción del sistema de admisión de aire del motor o la contaminación del aceite con el fluido refrigerante y, por lo tanto, considerar estos eventos como fallas, para tomar así las acciones correctivas pertinentes, pero el conductor del vehículo puede que no los considere como fallas, ya que la funcionalidad no se ha perdido y, por lo tanto, no toma acciones correctivas.

Cuando una falla se desarrolla en tiempos muy cortos, por lo que es casi imposible su detección en etapas tempranas, con los sensores y tecnología disponibles, y que por lo tanto no permite realizar una parada programada del equipo para tomar una acción correctiva, la llamamos falla súbita. Este tipo de fallas generalmente son catastróficas. Ejemplos de algunos modos de falla comúnmente asociados con las fallas súbitas son la fractura frágil, la fractura dúctil o la deformación plástica.

Cuando la falla tiene un tiempo prolongado de evolución, que permite su detección en etapas tempranas y el seguimiento de su progreso, lo cual facilita la toma de acciones correctivas antes que se convierta en una falla catastrófica, la llamamos falla progresiva. La mayoría de los modos de falla son de este tipo, por lo que se tienen ejemplos como la fractura por fatiga, la fractura por corrosión bajo esfuerzo, el desgaste adhesivo, el desgaste abrasivo, la corrosión generalizada, entre otras. Si la velocidad de evolución de la falla progresiva es muy alta, puede llegar a convertirse en súbita; es el caso por ejemplo del desgaste adhesivo que experimenta un eje girando a altas revoluciones por minuto, sobre un cojinete que pierda completamente el suministro de lubricante, lo cual desencadena en pocas revoluciones del eje, aumento severo de la temperatura y fusión de las partes.

Es posible definir tanto para las fallas progresivas como para las súbitas, dos etapas generales: (1) falla en etapa latente o falla latente, que se caracteriza por ser una etapa en la cual el mecanismo de falla está en marcha (bien sea el mecanismo físico o el humano-organizacional), pero aún no se ha manifestado, es decir, el sistema mecánico no se ha salido de los parámetros de diseño, que corresponde, por ejemplo, a las primeras fases de contaminación del aceite con el líquido refrigerante en el ejemplo del motor contaminado; (2) falla en etapa manifiesta o falla manifiesta, donde la evolución del mecanismo ya ha hecho que el sistema mecánico se salga de los parámetros de diseño, que en el caso del ejemplo del aceite de motor contaminado con refrigerante, implica que este, después de varias horas de funcionamiento, ha variado sus propiedades físicas y químicas, y por lo tanto, ya se ha acelerado la velocidad de desgaste y corrosión de las partes internas del motor, siendo detectable el mecanismo de falla si se analizan el lubricante o las partes. En la figura 1.2 se resume la clasificación de las fallas.

Figura 1.2 Clasificación de las fallas

Fuente: elaboración propia.

1.2 M

ODO DE FALLA Y MECANISMO DE FALLA

La manera física o química en que un elemento de máquina se degrada se denomina modo de falla, es decir, hace referencia a la forma en que la pieza se agrieta, distorsiona, cambia de dimensiones, etcétera; ejemplos de modos de falla son la fractura por fatiga, la corrosión por picadura, el desgaste adhesivo, entre otros. El proceso mediante el cual un elemento de máquina falla se conoce como mecanismo de falla físico o simplemente como mecanismo de falla, es decir, se refiere a toda la secuencia de eventos físicos o químicos involucrados, desde la fuente de la falla hasta que esta es detectada, por lo tanto, un mecanismo de falla puede incluir secuencias de modos de falla y se trata de una secuencia de eventos causa-efecto físicos. Al establecerse el mecanismo de falla de una pieza se responde a la pregunta ¿cómo falló? En la figura 1.3 se esquematiza la relación entre la fuente de la falla, los modos de falla y el mecanismo de falla.

Figura 1.3 Relación entre fuente, modos y mecanismo de falla

Fuente: elaboración propia.

A manera de ejemplo tomemos el caso de la falla catastrófica hipotética por fractura del cigüeñal de un motor, donde al adelantarse la inspección fractográfica el especialista puede determinar que el modo de falla final fue fractura por fatiga bajo carga de flexión, y al seguir inspeccionando el cigüeñal, nota que la zona de origen del agrietamiento por fatiga corresponde a una de daño previo por desgaste adhesivo contra un cojinete de biela, y al verificar la referencia del cojinete nota que el espesor de este es inferior al necesario para el diámetro del cigüeñal y fue colocado en el último mantenimiento realizado al motor. Con lo anterior el mecanismo de falla que identifica el especialista es el siguiente: por un mantenimiento deficiente (fuente de falla), se colocó un cojinete de bajo espesor sobre el cigüeñal, el cual no generó una película de aceite apropiada entre estos elementos, desencadenando desgaste adhesivo con un posterior agrietamiento por fatiga, el cual finalmente inutilizó al cigüeñal. Nótese que en este caso se tienen dos modos de falla secuenciales dentro del mecanismo de falla (figura 1.4).

Los elementos mecánicos son piezas de máquinas diseñadas para soportar cargas o deformaciones, bajo unas determinadas condiciones de radiación electromagnética o de radiación material incidente, de temperatura, de presión y de composición química del medio ambiente circundante, lo cual hace que se desarrollen varios modos de falla en el tiempo, que se pueden agrupar en cuatro familias básicas (figura 1.5), estos modos aplican también a estructuras.

Figura 1.4 Ejemplo de un mecanismo de falla hipotético en la fractura de un cigüeñal de motor

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.5 Familias de modos de falla básicos de los elementos mecánicos y las estructuras

Fuente: elaboración propia.

Las fallas por deformación o distorsión se presentan, si bajo la acción de las cargas una pieza cambia su geometría de manera permanente (deformación plástica) o si su deformación elástica no es la esperada, bien sea por muy elevada o muy baja. Un estado vibratorio anormal en un equipo puede ser consecuencia de la evolución de modos de falla por deformación, fractura, desgaste o corrosión, sin embargo, también es posible tener fallas por vibración, lo cual indica que se tienen amplitudes, velocidades, aceleraciones o frecuencias de vibración fuera de rango, que pueden desencadenar la ocurrencia de los otros modos de falla. Las fallas por deformación y vibración se pueden agrupar en una misma familia, ya que la vibración es una deformación cíclica. Las fallas por fractura son modos de falla mediante los cuales se disgrega en dos o más fragmentos un elemento de máquina o estructura, lo cual ocurre como consecuencia de la generación y posterior propagación de grietas en la pieza bajo la acción de las cargas que experimenta. Las fallas por desgaste y las fallas por corrosión son modos de falla que remueven, agregan o desplazan material de la superficie de las piezas, modificando su estructura, enlaces químicos, composición química, geometría y dimensiones, dándose estos procesos bajo la acción de esfuerzos de contacto o deslizantes en el caso del desgaste, y por la acción química, electroquímica o de la radiación del medio que rodea una pieza en el caso de la corrosión. Dentro de los fenómenos de corrosión se incluyen también aquellos modos de falla, derivados de la modificación de propiedades de los materiales por la interacción con el medio ambiente, sin que necesariamente se haya dado modificación de la geometría o dimensiones de una pieza. Es posible tener sinergias entre modos de falla (acción conjunta), por ejemplo, fallas por corrosión fractura, donde cargas y medio corrosivo promueven la fractura de una pieza, o fallas por corrosión desgaste, donde se presenta modificación superficial de las piezas, por la acción combinada de esfuerzos de contacto y un medio corrosivo.

1.3 F

UENTES GENERALES DE LAS FALLAS

El evento final de un mecanismo de falla es el modo de falla final detectado dentro del proceso de falla, mientras que el evento inicial del mecanismo de falla corresponde a la fuente de la falla o causa física de la falla (figura 1.3). Las fuentes generales de falla son las siguientes (figura 1.6):

Figura 1.6 Fuentes de falla básicas de los elementos mecánicos y estructuras

Fuente: elaboración propia.

1. Deficiencias de diseño . Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a deficiencias en el proceso de diseño. Ejemplos comunes son, a saber: especificar concentradores de esfuerzos severos en las piezas; realizar una inadecuada selección del material, proceso o procedimiento de fabricación; no haberse realizado un estudio juicioso de las cargas por soportar; cálculos de dimensionamiento erróneos o incompletos; entrega de planos incompletos o errados al fabricante, etcétera.

2. Deficiencias de material . Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que el material en el cual fue construido no posee la resistencia que especificó el diseñador. Esto se debe básicamente a una composición química del material alejada de las especificaciones, que genera problemas como contenido excesivo de inclusiones, o facilitación en la generación de segregaciones, o incapacidad de lograrse las propiedades mecánicas deseadas a través del proceso de fabricación escogido.

3. Deficiencias de fabricación. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que en su proceso de fabricación hubo deficiencias que hicieron que la pieza no quedara con la resistencia que especificó el diseñador. Ejemplos pueden ser: generación de concentradores de esfuerzo severos en la geometría de las piezas que no estaban especificados en planos; generación de esfuerzos residuales no deseables por inadecuados procesos de enfriamiento; ciclos termomecánicos que faciliten fenómenos de segregación; procedimientos de soldadura inadecuados que inducen discontinuidades; procedimientos inadecuados de tratamientos térmicos que generan agrietamientos y oxidación, etcétera.

4. Deficiencias de transporte. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), producto de deficiencias en el embalaje, medio de transporte, manipulación, etcétera, que atentan contra la integridad de los equipos; generando, por ejemplo, impactos, corrosión, desensamble, entre otros, durante el traslado de estos desde las fábricas hasta el lugar donde serán montados e instalados.

5. Deficiencias de montaje. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente para los cuales fue concebido (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que durante su montaje o ensamble se incurrió en deficiencias que modificaron su resistencia o aumentaron las solicitaciones de servicio. Algunos ejemplos son los siguientes: desalineamientos que generan esfuerzos parásitos, inapropiada cimentación de una máquina que la hace trabajar en un alto estado vibratorio, montaje con golpes sobre las piezas que dañan sus superficies, etcétera.

6. Deficiencias de operación. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente que experimenta en servicio (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que estas solicitaciones son superiores a las especificadas por una inadecuada operación. Generalmente se presenta cuando el equipo se usa en una aplicación para la cual no fue diseñado o es sometido a condiciones severas de velocidad, carga, temperatura, medio ambiente, etcétera.

7. Deficiencias de mantenimiento. Cuando el elemento, equipo o estructura es incapaz de soportar las cargas, deformaciones y medio ambiente que experimenta en servicio (radiación, composición, temperatura y presión), debido a que no se ejecutó una labor de mantenimiento en el momento adecuado o se hizo incompleta. Ejemplos son los siguientes: cambios de aceite superiores en tiempo a lo recomendado por el diseñador, recambio de piezas en tiempos superiores a los recomendados, uso de repuestos no probados y aprobados por el diseñador, etcétera.

1.4 C

AUSA RAÍZ DE FALLA

Al establecerse la fuente de falla dentro del mecanismo de falla se ha respondido la pregunta sobre ¿cómo falló?, pero aún sigue estando sin respuesta la pregunta ¿por qué falló?, la respuesta a esta pregunta es lo que se conoce como causa raíz de falla. Al establecerse la fuente de falla se tiene claro que hubo deficiencias en el diseño, o en la calidad del material, o en la calidad del proceso de fabricación, o en el transporte, o en el montaje, o en la operación, o en el mantenimiento del elemento fallado, sin embargo, todas estas actividades son adelantadas por personas adscritas a organizaciones, por lo tanto, la causa raíz de falla debe establecer por qué razón o razones las personas y organizaciones responsables del proceso asociado al diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación y el mantenimiento del equipo o estructura, hicieron su trabajo de manera deficiente. Un buen análisis de falla debe detectar la o las causas raíces de falla, para de esta manera poderse tomar las acciones correctivas en personas y organizaciones que minimicen la recurrencia futura.

Si retomamos el ejemplo de la falla por fractura del cigüeñal del motor, y asumimos que los analistas no hayan quedado conformes con haber detectado que la fuente de falla era un mantenimiento inadecuado que permitió la instalación de un cojinete no apropiado, es posible que estos al seguir indagando detecten que el mecánico responsable de colocar el cojinete no seleccionó el adecuado, por no haber consultado el manual de mantenimiento del motor. Al continuar la investigación los analistas pueden darse cuenta de que el mecánico no consultó el manual, sino que confió en su propia experiencia, porque en el taller en el cual trabaja no existe un procedimiento escrito y difundido que lo exija, si este es el caso se puede concluir que la causa raíz de falla está en que la jefatura del taller no tenía una política de calidad. En la figura 1.7 se resume lo anterior.

Figura 1.7 Ampliación de la figura 1.4, donde se encadena con otros eventos desde la causa raíz de falla (mecanismo humano u organizacional de falla)

Fuente: elaboración propia.

En resumen, podemos decir que la causa raíz de falla desencadena una serie de eventos que hacen parte de lo que llamaremos mecanismo de falla humano u organizacional o mecanismo humano-organizacional, el cual culmina en la fuente de falla. A partir de la fuente de falla la secuencia de eventos físicos y químicos que llevan al modo de falla final es lo que hemos llamado mecanismo de falla. Si consideramos todo el proceso de falla desde la causa raíz hasta el modo de falla final, encontramos que la etapa latente generalmente cubre la mayoría del mecanismo de falla humano u organizacional y algunas veces parte del mecanismo de falla (físico o químico), mientras que en la etapa manifiesta es lo contrario (figura 1.8).

Las causas raíces de falla se pueden agrupar en las siguientes categorías (figura 1.9):

Figura 1.8 Proceso de falla, sus elementos y etapas

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.9 Causas raíces de falla básicas

Fuente: elaboración propia.

1. Deficiencias en el diseño del sistema de calidad. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de una deficiencia o ausencia en el diseño del sistema de calidad asociado. Ejemplos de ello son la ausencia de políticas de calidad en la organización, ausencia de una estructura organizacional y de responsabilidades asociadas con el sistema de calidad, ausencia de procedimientos o instrucciones de trabajo (cuando la organización confía en la experiencia de la gente para hacer su trabajo y, por lo tanto, no tiene escritos procedimientos), etcétera. Cuando la fuente de falla se encuentra en deficiencias del diseño del sistema de calidad, una causa raíz común está en la ausencia de procedimientos de diseño o de medición de las solicitaciones o de resistencias de los elementos (es el caso de un fabricante de equipos que base sus diseños más en copia que en ingeniería propia).

2. Deficiencias en los procedimientos del proceso. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de deficiencias en los procedimientos e instrucciones de trabajo que maneja la organización; es el caso de procedimientos incompletos, errados o imprecisos que inducen a fallas. Un ejemplo se da en equipos pioneros o tecnologías nuevas, donde por el desconocimiento de los diseñadores en la aplicación en particular, es altamente probable cometer errores u omisiones en la generación de los procedimientos, es el caso de los transbordadores espaciales de la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA, por sus siglas en inglés), donde de 5 transbordadores construidos 2 tuvieron fallas catastróficas (Challenger y Columbia), es decir, un porcentaje de falla del 40 %; en este caso la causa raíz de falla estuvo en la imposibilidad por parte de los diseñadores, de prever todos los escenarios de falla para hacer un procedimiento de diseño seguro, en un equipo que era el primero de su tipo.

3. Deficiencias en la ejecución de los procedimientos. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, como consecuencia de disparidades entre los procedimientos e instrucciones de trabajo generados con las labores efectivamente realizadas. Puede ser el caso de la existencia de procedimientos de trabajo no actualizados, o la no difusión de los procedimientos al personal encargado desde la gerencia.

4. Deficiencias en los recursos asignados. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de una deficiencia o ausencia en los recursos asignados por la organización. Recordando que los recursos son tanto físicos como humanos, se tienen ejemplos como la falta de herramientas y equipos adecuados, falta de capacitación adecuada, sobrecarga laboral (conduce a cansancio, falta de atención, omisiones), recortes de presupuesto, entre otros ejemplos.

5. Errores humanos, violaciones y negligencias. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, debido a un error humano, una violación o una negligencia. Un error humano es una desviación de la conducta esperada por acción u omisión no intencional de un individuo, una violación en cambio es un acto intencional que busca inducir una falla, mientras que una negligencia es una desviación de la conducta esperada, sin la intencionalidad de provocar una falla, aunque con el conocimiento de que dicha acción tiene un riesgo mayor asociado. Un error humano se presenta, por ejemplo, cuando de manera involuntaria un operario se salta un paso dentro de un procedimiento. Una violación se presenta como un acto deliberado de sabotaje. Un ejemplo de negligencia se da cuando un operario capacitado decide operar un equipo sin los elementos de seguridad respectivos.

Las causas raíces 1 a 4 anteriormente mencionadas, son responsabilidad directa de la organización y, por lo tanto, las llamamos organizacionales, y es la gerencia de dicha organización la directamente responsable de las fallas que se generen allí, ya que ella fue la que generó la estructura organizacional, la política de calidad, la selección y distribución de recursos, el diseño de los procesos y procedimientos, etcétera. Por lo anterior, todas aquellas personas que hacen parte del nivel gerencial son las directamente encargadas de implementar las acciones correctivas futuras.

La quinta causa raíz recae directamente sobre los individuos que ejecutan los diferentes procedimientos, y por ello es una causa de falla humana y no organizacional. Cada individuo por tanto es el responsable de implementar las acciones correctivas hacia el futuro.

1.5 S

OLICITACIÓN, RESISTENCIA Y FACTOR DE SEGURIDAD

Los elementos mecánicos y estructurales son expuestos a cargas durante su trabajo (fuerzas y momentos) y deformaciones por la interacción con otros cuerpos, con unas determinadas condiciones de radiación, temperatura, presión y composición química del medio circundante; dicho medio, a su vez, puede ser un líquido o un gas y, por lo tanto, ser un fluido monofásico o ser una mezcla de líquido-sólido, gas-sólido, líquido-gas, líquido-gas-sólido, líquido A-líquido B, gas A-gas B, etcétera, en cuyo caso se tiene un fluido multifásico.

Así pues, una pieza es sometida en servicio a estímulos físicos y químicos que generarán de esta algún tipo de respuesta, a estos estímulos los llamaremos solicitaciones. Por otro lado, en virtud del material del cual está hecha la pieza, de su proceso de fabricación, de su tamaño, de su geometría, de su acabado superficial, etcétera, esta será capaz o no de soportar las solicitaciones sin llegar a falla, a esto le llamaremos resistencia del elemento mecánico o estructura.

Para poder diseñar un elemento mecánico o estructura se debe escoger una magnitud física o química en la cual se pueda cuantificar y comparar la solicitación y la resistencia. En el caso del diseño a fractura o deformación plástica, una magnitud comunmente usada es el esfuerzo (carga por unidad de área), donde el valor límite de esta magnitud para una pieza puede ser la resistencia a tensión, la resistencia a fatiga, la resistencia a fluencia, etcétera; en el diseño a desgaste una posible magnitud por usar es la rata de desgaste (cantidad adimensional), siendo el valor límite la máxima rata de desgaste; en el diseño a corrosión una magnitud por usar puede ser la velocidad de la corrosión (espesor de material perdido por año), teniéndose igual que en el caso del desgaste un valor límite máximo; en el diseño a deformación elástica la magnitud puede ser el desplazamiento, siendo su resistencia un desplazamiento límite máximo o mínimo; en el diseño a vibración se puede cuantificar los desplazamientos, velocidades o aceleraciones de vibración, imponiéndose, por ejemplo, límites máximos.

Para cada una de las cuatro familias de modos de falla básicos (deformación- vibración, fractura, desgaste y corrosión) se pueden usar varias magnitudes físicas de estudio, con las cuales cuantificar las solicitaciones y comparar con las resistencias, con lo cual el diseñador debe escoger de acuerdo con la aplicación las magnitudes más adecuadas para adelantar el diseño del respectivo elemento mecánico. Los valores de la solicitación y la resistencia a un modo de falla específico, en general dependen del material usado en la pieza y de variables como la forma, el tamaño, el acabado superficial, el medio ambiente, entre muchos otros. Algunas resistencias son fuertemente dependientes del material, más que de las otras variables geométricas o de medio ambiente, como puede ser el caso de la resistencia a tracción; ello le facilita enormemente el trabajo al diseñador, ya que a partir de ensayos normalizados de material, puede obtener un valor de resistencia a tracción que extrapole a muchas geometrías de piezas. En otros casos el valor de la solicitación y/o de la resistencia al modo de falla es fuertemente influenciado por la geometría y medio ambiente de la pieza, como es el caso de la velocidad de corrosión, ya que un mismo material presenta diferentes velocidades de deterioro en diferentes medios y con diferentes geometrías; esto obliga al diseñador a hacer ensayos muy cercanos a cada aplicación particular que tenga, para obtener datos confiables tanto de la solicitación como de la resistencia. Como regla general para la minimización en la ocurrencia de las fallas, se deberá propender por determinar todas las solicitaciones y resistencias a los modos de falla, a partir de ensayos en condiciones cercanas a las de operación.

Una vez definida la magnitud física por usar durante el diseño de una pieza mecánica, se procede a escoger el material y dimensionarla a partir de los valores de la solicitación y la resistencia. Una práctica común del diseño consiste en proyectar la pieza para que en servicio sea sometida a una solicitación máxima admisible, la cual es menor a su resistencia o valor límite máximo. El cociente entre la resistencia teórica de la pieza (valor límite máximo) y la solicitación máxima admisible se denomina factor de seguridad (FS), ecuación 1.1. Dicho factor toma valores comunmente entre 1, 2 y 3, o mayores en ciertas aplicaciones, para asegurar que no ocurra falla, cuantificando de manera indirecta la inseguridad que tiene el diseñador del valor de la resistencia y del valor de la solicitacion real a la cual será sometida la pieza (a mayor factor de seguridad mayor incertidumbre en el diseñador).

En las aplicaciones reales la resistencia y la solicitación no son exactamente las esperadas por el diseñador, por lo que el cociente entre la resistencia real y la solicitación real que tiene la pieza en servicio se denomina factor de seguridad real (FS

REAL

), ecuación 1.2. Debido a esta discrepancia, el valor del factor de seguridad real puede ser menor que el esperado por el diseñador, figura 1.10, lo cual, aunado a las consideraciones estadísticas que se describen en el siguiente numeral, puede aumentar la probabilidad de falla.

Figura 1.10 Relación entre las solicitaciones y resistencias teóricas y reales

Fuente: elaboración propia.

Diseñar elementos mecánicos y estructuras basados en el método de cálculo del factor de seguridad es una práctica muy extendida en el medio ingenieril. Si el lector no está familizarizado con esta filosofía de diseño, puede consultar alguna de las referencias [1-3].

1.6 P

ROBABILIDAD DE FALLA Y CONFIABILIDAD

Muchos parámetros relacionados con la resistencia real de un elemento mecánico o estructura a presentar alguno de los modos de falla y con la solicitación real, están sujetos a incertidumbres y variabilidad, es decir, tanto la solicitación real como la resistencia real se pueden representar mediante variables aleatorias con sus correspondientes funciones de densidad de probabilidad (figura 1.11). La variabilidad de la solicitación implica que en servicio esta cambia en cada ciclo de trabajo del elemento, siendo algunas veces mayor y en otras menor; mientras que la variabilidad en la resistencia proviene de la variación en la calidad del proceso de fabricacion de una pieza a otra, de su homogenidad, de su cambio dimensional en servicio, etcétera.

Figura 1.11 Distribuciones de la solicitación y la resistencia reales de una pieza

Nota. El solapo entre estas dos distribuciones representa la probabilidad de falla (área).

Fuente: elaboración propia.

El concepto de probabilidad de falla (Pf ) está relacionado con el criterio según el cual ocurre falla cuando la solicitación real en un componente iguala o excede su resistencia real (figura 1.11), o en otras palabras, cuando el factor de seguridad real se hace igual a uno o menor. Entonces, suponiendo que tanto la resistencia como la solicitación son variables aleatorias, la probabilidad de falla se puede determinar mediante la ecuación 1.3.

Donde R y S son las variables aleatorias de la resistencia y de la solitación, respectivamente. Para definir la distribución de probabilidad de la solicitación es necesario cuantificar las cargas experimentadas por las piezas, por análisis o por medidas directas de campo. Luego, los datos de campo se representan por un modelo teórico de distribución de la solicitación. Nótese que la probabilidad de falla nunca llega a ser cero, es decir, la naturaleza aleatoria de la solicitación y la resistencia no permite generar diseños cien por ciento seguros.

En aplicación la probabilidad de falla de una pieza puede aumentar respecto a su condición inicial, por el aumento en la variabilidad de la solicitación o de la resistencia, o por una conjunción de aumento de la solicitación promedio (S¯) y disminución de la resistencia promedio (R¯), figura 1.12.

Figura 1.12 Escenarios posibles para el aumento de la probabilidad de falla en servicio

Fuente: elaboración propia.

La probabilidad de superviviencia o confiabilidad (Ps) de un componente o de una estructura está definida en la ecuación 1.4. Numéricamente, el nivel de confiabilidad representa el porcentaje de sobrevivencias de un gran número de unidades en un determinado tiempo de servicio.

La exactitud con que se estime la probabilidad de falla o la confiabilidad depende de la caracterización estadística apropiada tanto de la resistencia como de la solicitación. El grado de incertidumbre puede ser disminuido por la actualización continua de información de las solicitaciones y resistencias reales de un componente.

En un análisis del mecanismo de falla, en últimas se pretende determinar qué fuente o fuentes de falla aumentaron la probabilidad de falla, al modificar la solicitación real o la resistencia. Deficiencias de diseño, transporte, montaje, operación o mantenimiento pueden implicar solicitaciones reales mayores o resistencias reales menores a las esperadas; deficiencias en el material o en el proceso de fabricación generalmente implican resistencias reales menores.

El diseño de elementos mecánicos y estructuras basado en lograr una confiabilidad determinada (o probabilidad de falla) es una filosofía de diseño que actualmente está ganado terreno y que va más acorde con la naturaleza estadística de la solicitación y la resistencia. En [4] se encuentra un resumen de este enfoque de diseño.

1.7 A

NÁLISIS COMPLEMENTARIOS A LOS DE FALLA

Los análisis de falla hacen parte de un conjunto de metodologías relacionadas con el manejo de la integridad mecánica de activos. La integridad mecánica de activos es una filosofía de diseño, fabricación, ensamble, operación y mantenimiento de activos que busca la minimización de la ocurrencia de las fallas y, por ende, de sus consecuencias, durante la vida últil de las partes, equipos, instalaciones mecánicas y estructuras.

Desde las etapas del diseño el diseñador puede prever los mecanismos y modos de falla potenciales de la estructura, componente o equipo mecánico que está concibiendo, para estimar así las probabilidades de falla asociadas, la forma de monitorear su evolución, las posibles causas y sus posibles consecuencias, haciendo las correcciones necesarias a los diseños que aseguren que se cumplirá con las prestaciones, criterios de seguridad y tiempo de vida esperado, a esto se le denomina análisis de modos de falla y sus efectos cuya sigla en español es AMFE.

Los análisis de falla se ocupan de fallas ya ocurridas, es decir, post mortem, y los AMFE se ocupan de fallas potenciales; sin embargo, para adelantar los dos análisis y otros que se mencionan más adelante, se requiere que las personas encargadas tengan un conocimiento profundo de los mecanismos de falla y modos de falla posibles de los elementos de máquinas que analizarán.

Antes de mencionar los demás análisis complementarios a los análisis de fallas, dentro del manejo de la integridad mecánica de activos conviene definir algunos términos: rata de falla o frecuencia de falla, que hace referencia a la cantidad de eventos de falla que puede experimentar un elemento, equipo, estructura o instalación durante un intervalo de tiempo dado; severidad de un evento de falla es una medida de la consecuencia más grave que puede tener la ocurrencia de dicho evento, y es proporcional al grado de lesión personal causado, daño físico del sistema o infraestructura, contaminación causada al medio ambiente, etcétera; mantenibilidad es la facilidad con que se pueden realizar todas las labores de mantenimiento de un equipo, de manera que se minimice la ocurrencia de las fallas; disponibilidad corresponde a la fracción de tiempo que un equipo está disponible para ser usado, respecto al tiempo total analizado; criticidad es una medida del impacto que tiene un modo de falla en el cumplimiento del objetivo del equipo o instalación, por lo tanto, depende de la rata de falla y de su severidad; riesgo es un concepto íntimamente relacionado con el de criticidad, y mide el nivel de pérdida económica o humana que tiene un modo de falla, se centra en el impacto sobre una organización, por lo tanto, también depende de la rata de falla y la severidad.

Dentro del manejo de la integridad mecánica de partes, equipos, estructuras e instalaciones, se adelantan los siguientes análisis complementarios a los de fallas y los AMFE: análisis de confiabilidad es aquel cuyo objetivo es establecer la confiabilidad de un equipo a partir del conocimiento de su historial de fallas, o de las leyes físicas que gobiernan el desarrollo de los modos de falla involucrados; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad (Análisis CDM), el cual es un procedimiento que usa los análisis de confiabilidad y la estrategia de mantenimiento usada, para pronosticar pérdidas de producción y falta de disponibilidad de un proceso; análisis de criticidad, que es un procedimiento en el que cada modo de falla es jerarquizado de acuerdo con su frecuencia de falla y la severidad de su efecto sobre el cumplimiento del objetivo; análisis de riesgo, similar al análisis de criticidad, pero en este caso la jerarquización mide el impacto sobre la pérdida económica, humana o ambiental; análisis de aptitud para el servicio, en el cual, a partir de la medición del estado actual de evolución de los modos de falla de un equipo, se determina si este puede seguir operando y hasta cuándo lo puede hacer de manera segura, usando las leyes que gobiernan cada modo de falla involucrado. En la figura 1.13 se esquematiza la relación entre los diferentes análisis mencionados y el manejo de la integridad mecánica.

El lector puede acudir a las siguientes lecturas para profundizar sobre cada uno de los análisis mencionados en este capítulo: análisis de fallas [5]; análisis de ingeniería forense [6]; análisis de modos de falla y sus efectos Amfe [7]; análisis de confiabilidad [8]; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad CDM [9]; análisis de criticidad y riesgo [10], y análisis de aptitud para el servicio [11].

Figura 1.13 Sistema de manejo de la integridad mecánica de activos que asegura alta confiabilidad y disponibilidad

Fuente: elaboración propia.

1.8 C

OSTOS, TIEMPO Y PERFIL DE LOS ANALISTAS DE FALLA

La realización de un análisis de fallas implica un costo importante en tiempo y dinero; típicamente el análisis de un componente de máquina fallado puede durar entre 1 y 2 meses, y su costo puede oscilar entre 3.000 y 20.000 dólares americanos, lo que incluye el costo de los análisis de laboratorio y los honorarios de 1 o 2 analistas. Análisis más complejos como los de accidentes aeronáuticos pueden requerir de 6 meses a 1 año de realización, con costos que pueden llegar a ser del orden de millones de dólares, ya que se incluyen varios analistas de falla, personal técnico, administrativo, y varias pruebas de laboratorio especializadas. Por ejemplo, el análisis de falla del transbordador espacial Columbia involucró a un panel de 13 expertos más el personal de apoyo, donde se adelantaron entrevistas, inspecciones y diferentes tipos de ensayos, cuyo costo total se estimó en cerca de 400 millones de dólares de la época [12], tomando un tiempo de aproximadamente 7 meses.

Debido a su costo, la realización de un análisis de falla con todas las etapas que se describen en los numerales 7.1 y 7.2 solo se justifica si se trata de un problema crónico (fallas repetitivas) o si el costo del análisis es inferior al valor del equipo. Un ejemplo donde un análisis de falla no es justificable realizarlo desde el punto de vista económico es el siguiente: si se hacen todos los ensayos e inversión de tiempo del analista de falla en un evento de falla de un rodamiento, el costo puede ser de 1.500 dólares americanos y se puede demorar cerca de 3 semanas, lo cual es muy alto al compararse con el valor del rodamiento que es apenas de 200 dólares, con un tiempo de reposición de apenas unos minutos. Si esta falla de rodamiento no es aislada sino crónica, es decir, que el costo del recambio continuo de rodamientos es muy alto, puede que ahí se justifique realizar el análisis si el potencial de ahorro en mantenimiento es mayor que el costo del análisis de falla.

Un análisis de falla de un componente, equipo o estructura mecánica involucra varias disciplinas como el diseño mecánico, la caracterización de materiales, el mantenimiento de equipos, sistemas de control, las condiciones propias de la operación (ingeniería de petróleos, aeronáutica, etcétera), la psicología, la sociología (estas dos disciplinas se requieren cuando se buscan causas de una falla en el comportamiento humano o social), etcétera. Por lo anterior, el escenario ideal es que el análisis sea adelantado por un equipo multidisciplinario de expertos de todas estas áreas, con el fin de poder evaluar con mayor certeza cuál o cuáles son las causas raíces de la falla. Así pues, la visión tradicional de nuestro medio, que deja la responsabilidad del análisis de falla solo a especialistas del área de materiales, es errada, ya que, a este profesional, por su formación, le resulta difícil identificar posibles causas en el ámbito del diseño, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento.

1.9 E

L PAPEL DEL ANÁLISIS DE FALLA EN LA METÓDICA DEL DISEÑO

Una máquina está integrada por decenas, cientos o miles de piezas, las cuales, a su vez, se encuentran agrupadas en sistemas; luego, al hablar del diseño y construcción de una máquina se está hablando en realidad del diseño y construcción de cada uno de sus sistemas y dentro de estos de cada una de sus partes, a lo cual sigue el ensamblaje de las piezas para formar la máquina total (montaje), la prueba del conjunto, la operación y el mantenimiento (figura 1.14).

Figura 1.14 El análisis de falla y su función en la metódica general del diseño

Fuente: elaboración propia.

Un segundo aspecto importante, adicional a la complejidad propia de las máquinas integradas por sistemas y partes, se encuentra en el hecho de que todo diseño que se haga siempre está basado en diseños anteriores (excepto que se trate de una tecnología radicalmente nueva), por ejemplo, los primeros diseñadores y constructores de automóviles y aviones hicieron sus trabajos basándose en la experiencia acumulada por más de un siglo, en el diseño y construcción de maquinaria industrial y de las primeras máquinas de trasporte como las bicicletas, las locomotoras y los barcos de vapor, entre otros; además, es importante hacer énfasis en que los precursores en la construcción de estas máquinas no partieron de cero, ya que si se mira la historia de muchos de ellos, se encuentra que eran técnicos o ingenieros especialistas en una actividad afín. Se pueden mencionar casos famosos como el de los hermanos Wright, inventores del vuelo controlado y propulsado, los cuales eran diestros constructores de bicicletas, o el de Benz, quien antes de presentar su primer carruaje motorizado llevaba una extensa trayectoria en la construcción de motores de combustión estacionarios. Debido a lo anterior, se hace evidente que en el proceso del diseño y construcción de maquinaria es de vital importancia el conocimiento acumulado en los diseñadores de la máquina.

Por lo anterior, es importante tener presente que el conocimiento acumulado es el núcleo fundamental en el proceso de diseño y construcción de máquinas (figura 1.14), por ello, la historia de una industria de punta actual como la espacial no tiene sus raíces en las loables obras de ingeniería realizadas por precursores europeos y americanos durante el siglo XX, sino que proviene de todo un conocimiento acumulado en esos países desde el siglo XVII cuando empezó la Revolución Industrial.

El tercer factor por analizar es el significado del conocimiento acumulado en el proceso de diseño y construcción de máquinas, el cual se puede definir como la forma científica, ingenieril y técnica en que la máquina cumplirá las funciones que se le piden, es decir, es el conocimiento que permite elegir con criterio qué piezas, de qué materiales, con qué sistema de control, etcétera, harán parte de la máquina; adicionalmente, y contrario a lo que se cree, ese conocimiento acumulado no corresponde a las leyes universales formuladas por grandes científicos como Newton, Joule, Einstein, entre otros, las cuales se estudian con una profundidad suficiente en las universidades, sino que hace referencia al detalle técnico, el cual muchas veces no es suficientemente explicado por las leyes físicas, y que obedece sobre todo a la experiencia obtenida durante mucho tiempo por el método empírico. Este último tipo de conocimiento se encuentra en algunas escuelas ingenieriles y técnicas, y especialmente en empresas o institutos constructores de máquinas. Ese conocimiento tecnológico y técnico al cual se hace referencia, está plasmado en las normas, prácticas recomendadas, procedimientos, manuales, etcétera, que cada empresa de construcción genera y renueva constantemente y que representa su mayor capital, el cual, por obvias razones, no es de dominio público.

El último aspecto sobre el cual se debe hacer énfasis está en la forma en la cual el conocimiento acumulado debe evolucionar dentro de una empresa, es decir, la forma en que se optimizan los diseños, las normas, las prácticas de mantenimiento, etcétera; es aquí donde aparece el aporte fundamental del análisis de fallas, ya que la empresa debe preocuparse por hacerle seguimiento a sus diseños en todas las etapas de la metódica general de la figura 1.14, para que al detectarse las fallas, se indaguen sus causas y se replantee así el conocimiento acumulado de la empresa, para mejorar en diseños futuros. Así pues, podemos catalogar al análisis de falla como el sensor que determina las causas técnicas y raíces de falla, permitiéndoles a los diseñadores y a la dirección generar acciones correctivas, vía modificaciones en el conocimiento acumulado o en la organización misma.

Infortunadamente en nuestro medio muy pocas empresas, técnicos e ingenieros aplican el análisis de falla como una rutina obligatoria de trabajo, lo cual, como es obvio, se traduce en una baja calidad de las máquinas generadas o de los servicios prestados de ensamble, operación o mantenimiento. Si queremos alcanzar un nivel alto de competitividad interna y externa, el análisis de falla debe ser una práctica continua e integral de los sistemas de calidad de nuestras empresas.

El análisis de falla debe estar presente en todas las etapas de la metódica del diseño, sin embargo, su participación se hace más fuerte a la hora de las pruebas de las partes, sistemas o máquinas, ya que es aquí donde el fabricante logra establecer con cierto nivel de precisión la vida útil esperada de su producto, para lo cual debe alimentarse de tres fuentes principales: modelos teóricos generados en la propia empresa que predigan la vida; ensayos a escala 1:1 para medir solicitaciones, resistencias, vida, etcétera, y, por último, se debe hacer seguimiento a las máquinas generadas sobre la vida que están mostrando en su lugar de trabajo (figura 1.15). Con lo anterior también se asegura que, al realizar un nuevo diseño, se minimice la probabilidad de ocurrencia de fallas.

El esquema de la figura 1.15 muestra un procedimiento aceptable que asegura diseños de alta calidad en empresas de diseño y construcción de máquinas; sin embargo, en nuestro medio el grueso de los técnicos, ingenieros y empresas de ingeniería no diseñan ni construyen, sino que prestan los servicios de ensamble, operación o mantenimiento, los cuales son los últimos pasos de la metódica general del diseño (figura 1.14). En estas etapas el aseguramiento de la calidad debe centrarse en hacer cumplir los criterios de ensamble, operación y mantenimiento, que el diseñador o el fabricante original del equipo han consignado en los manuales de ensamble, operación y mantenimiento (figura 1.16). En esta figura se sugiere que cualquier cambio en las rutinas de ensamble, operación o mantenimiento debe ser consultada con el fabricante, para asegurar que dicho cambio no vaya a aumentar la probabilidad de falla. Que una empresa cumpla con lo anterior en nuestro medio, a primera vista no debería ser difícil; sin embargo, la experiencia de los autores muestra que el grueso de las fallas que ocurren en el país se da precisamente por no ceñirse a las recomendaciones de los manuales de los fabricantes o a los códigos de sociedades técnicas especializadas.

Figura 1.15 Determinación de la vida esperada por el fabricante de una máquina o parte

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.16 Minimización de fallas en los procesos de ensamble, operación y mantenimiento de máquinas

Fuente: elaboración propia.

1.10 É

TICA EN LOS ANÁLISIS DE FALLAS

Los analistas de falla deben propender por mantener siempre la independencia en la emisión de sus conceptos sobre el mecanismo de falla o de causa raíz, evitando ceder ante las presiones conscientes e inconscientes siempre presentes de los representantes de la fábrica, de los operadores, de los mantenedores, etcétera. Esto se vuelve especialmente crítico cuando los analistas trabajan para una de las partes involucradas; no obstante lo anterior, los analistas deben recordar que su trabajo es determinar las causas físicas, humanas y organizacionales de una falla, atendiendo estrictamente a las evidencias que la investigación genere.

Quienes solicitan conceptos del mecanismo de falla o de la causa raíz de falla deben ser conscientes de que están contratando un concepto técnico, cuyo resultado no está predefinido, es decir, en este caso no aplica el principio de que el cliente siempre tiene la razón. La responsabilidad del cliente, por lo tanto, es la de brindar toda la información que necesiten los analistas, para emitir un concepto imparcial.

Los análisis de falla son procesos de ingeniería similares al diseño, en el sentido de que dos analistas al estudiar un mismo caso, es posible que lleguen a conceptos de mecanismo de falla diferentes (identificando los mismos modos de falla). Lo mismo ocurre cuando dos diseñadores resolviendo el mismo problema, plantean dos soluciones diferentes, lo cual es perfectamente normal. Lo acertado de un análisis de falla en cuanto a la identificación de modos de falla, mecanismos de falla, causas físicas y causas raíces, dependerá de la riqueza y veracidad de la información recolectada, de la experiencia de los analistas y de la amplitud de ensayos, mediciones y cálculos realizados.

1.11 E

STADÍSTICAS DE FALLAS

A partir de los análisis de mecanismo de falla realizados por los autores del presente texto, durante una ventana de tiempo de 10 años que corresponden a cerca de 290 eventos de falla estudiados [13], se pudieron establecer las estadísticas que a continuación se mencionan, las cuales pueden dar al lector información sobre las tendencias de tipos de falla, modos de falla y fuentes de falla que comúnmente se consultan en el medio local. Estos eventos de falla provinieron principalmente de empresas del sector minero (carbón y petróleo), aeronáutico, automotriz, de maquinaria industrial e infraestructura (puentes metálicos).

Debido a su impacto en la producción, disponibilidad y funcionalidad de equipos e instalaciones, y a sus consecuencias económicas, humanas y ambientales, no es de extrañar que la mayoría de casos consultados por los diferentes sectores productivos correspondan a fallas catastróficas (82,6 %) (figura 1.17).

Figura 1.17 Proporción entre fallas catastróficas y no catastróficas consultadas

Fuente: elaboración propia.

Las fallas súbitas engloban generalmente modos de falla como las fracturas súbitas, la deformación plástica o eventos de desgaste adhesivo severo, producto de una falta de control efectiva sobre el valor de las solicitaciones, lo cual genera sobrecargas o mal funcionamientos que favorecen la ocurrencia de los modos de falla mencionados. En general, si se tienen eficientes procesos de operación y mantenimiento, normalmente se logra disminuir la proporción de fallas súbitas frente a las progresivas. De los casos consultados a los autores, la mayoría correspondieron a fallas progresivas (67,5 %) (figura 1.18).

Figura 1.18 Proporción entre fallas progresivas y súbitas consultadas

Fuente: elaboración propia.

Dependiendo de las solicitaciones particulares a las cuales se someten los elementos mecánicos en diferentes ramos industriales, se encuentra que en algunos ramos predominan ciertos modos de falla finales que en otros sectores industriales no son tan frecuentes. Por ejemplo, en operación de maquinaria industrial, estructuras, automóviles, aeronaves, minería y movimiento de tierras, donde el ambiente corrosivo está limitado a la acción de la atmósfera, es común que los modos de falla finales predominantes sean en orden descendente de importancia, los relacionados con fractura, desgaste y deformación plástica, siendo los modos de falla finales relacionados con corrosión poco frecuentes (figuras 1.19 y 1.21, izquierda), nótese que el modo de falla final de mayor consulta fue la fractura por fatiga.

En ramos industriales relacionados con la conducción y el bombeo de fluidos corrosivos como el agua, el vapor de agua, alimentos, petróleo y sus derivados, la participación de los modos de falla finales relacionados con corrosión y su cooperación con fractura (corrosión-fractura) o con desgaste (corrosión-desgaste) se hace importante, equiparándose a los modos de falla finales por fractura (figuras 1.20 y 1.21, derecha). Nótese que los modos de falla finales más consultados fueron la fractura por cooperación corrosiónfatiga y la fatiga pura.

Figura 1.19 Modos de falla finales comúnmente consultados

Nota. Relacionados con operaciones de maquinaria industrial, estructuras, automóviles, aeronaves, minería y movimiento de tierras.

Fuente: elaboración propia.

Los modos de falla relacionados con vibración no aparecen en las figuras 1.19 a 1.21, no por su ausencia, sino debido a que las empresas generalmente los consultan con analistas especializados en ese tipo de eventos, perfil que no corresponde al de los autores del presente texto.

De los análisis de mecanismo de falla realizados, se encontró que las fuentes más comunes de falla recaen en operación y en mantenimiento (figura 1.22), sumando estas 2 fuentes el 75,7 % de los casos. Esto indica que es más común encontrar la fuente de la falla en la organización operadora y mantenedora del equipo, que en la empresa fabricante, esto se debe a los filtros de control de calidad en diseño, material, fabricación, transporte y montaje que las empresas fabricantes les hacen a sus productos.

Figura 1.20 Modos de falla finales comúnmente consultados en operación de conducciones y bombeo de fluidos corrosivos

Nota. Fluidos como el agua, el vapor de agua, alimentos, petróleo y sus derivados.

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.21 Resumen de los porcentajes de consulta de los modos de falla finales agrupados por familias

Nota. Para el caso de las industrias mencionadas en la figura 1.19 (izquierda) y las mencionadas en la figura 1.20 (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.22 Estadística de la participación de las fuentes de falla en los análisis de mecanismo de falla realizados

Nota. La sumatoria de los porcentajes excede el 100 %, ya que no es extraño que 2 o más fuentes de falla cooperen en un evento.

Fuente: elaboración propia.

1.12 C

OMENTARIOS FINALES

Como se habrá notado en la lectura del capítulo, las causas raíces de falla están íntimamente relacionadas con ausencias o deficiencias de los elementos típicos que componen los sistemas de aseguramiento de la calidad en los diferentes procesos de las organizaciones involucradas en el diseño, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación y el mantenimiento de piezas, equipos y estructuras mecánicas. Por lo anterior, la principal recomendación es que dichos sistemas de aseguramiento de la calidad existan realmente en las empresas, lo cual va más allá de tener un certificado de calidad que diga que este sistema existe.

No es raro encontrar que las deficiencias en el sistema de aseguramiento de la calidad estén íntimamente relacionadas con un alto grado de desconocimiento por parte de la organización y de las personas involucradas, de la labor propia que realizan; casos como diseñadores que no calculan sus equipos; vendedores de equipos que realmente no conocen lo que están vendiendo y sus limitaciones, los cuales asesoran a compradores que tampoco conocen lo que están comprando; mantenedores que modifican piezas y materiales sin ningún criterio técnico; operadores que nunca calculan el efecto de sobrepasar las resistencias de sus equipos por necesidades de producción, y decenas de ejemplos más. Por ello, se deduce que es muy importante la preocupación de la organización por capacitar su personal para que sea competente en su función, y ello, por supuesto, significa invertir.

Siempre que sea posible es deseable que exista una alianza entre fabricantes de equipos y usuarios, que les permita a ambos mejorar la estimación y medición de las resistencias y solicitaciones reales, de forma que se mejore en últimas la confiabilidad de los equipos.

Cuando se trabaje con un equipo que se base en una nueva tecnología o un nuevo diseño, es probable que se tenga una menor confiabilidad de este respecto a otros equipos basados en tecnologías o diseños suficientemente probados, lo cual debe tenerse en cuenta a la hora de escoger entre uno u otro. Lo anterior implica que no necesariamente las últimas tecnologías son las más confiables, aunque tengan promesas de mayor productividad, por ejemplo; estos casos son muy comunes en la industria minera y de petróleos; así pues, se deberá sacar cuentas sobre si el muy probable aumento en costos de mantenimiento es suficientemente compensado con el aumento en la productividad.

Es importante recordar la relevancia de determinar la causa raíz de falla (responsables humanos y organizacionales), y no solo la fuente de la falla (sistema o proceso responsable de la falla), pues de este modo se asegura que al implementarse las recomendaciones, cambien actitudes de personas, procedimientos, políticas, asignación de recursos, etcétera.

Ningún elemento, equipo o estructura diseñada y construida por el hombre está libre de fallas, sin importar el cuidado y esmero puesto por los diseñadores, el grado de sistemas de control e instrumentación empleados, el grado de capacitación, etcétera, ya que tanto las solicitaciones como las resistencias al ser variables aleatorias, conllevan a que siempre haya una probabilidad mayor a 0 de tener una solicitación igual o superior a la resistencia, o en otras palabras, la incertidumbre asociada con estas variables solo deja como certeza que la confiabilidad nunca será del 100 %.

Toda organización o persona tiene derecho a equivocarse, por lo que el objetivo final de un análisis de fallas no debe ser punitivo sino educativo, para hacer caer en cuenta a las organizaciones y personas sobre lo que están haciendo mal e indicarles cómo mejorar. Por supuesto, lo anterior excluye la etapa del análisis de ingeniería forense. Si durante un análisis de fallas predomina lo punitivo dentro de la organización, será difícil encontrar las causas raíces y mejorar, ya que la información será ocultada deliberadamente por el personal involucrado.

1.13 L

ECTURAS RECOMENDADAS Y REFERENCIAS

[1] Norton, R. Machine Design , 5th Ed. 2014, Prentice Hall, Chapter 5: Static Failure Theories. ISBN: 9780133356717.

[2] Budynas, R. and Nisbett, K. Shigley’s Mechanical Engineering Design , 10th Ed. 2014, McGraw Hill, Chapter 5: Failures Resulting from Static Loading. ISBN: 9780073398204.

[3] Juvinall, R. and Marshek, K. Fundamentals of Machine Component Design , 5th Ed. 2011, Wiley, Chapter 6: Failure Theories, Safety Factors and Reliability. ISBN: 9781118012895.