UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA

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1 P á g i n a 1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA MANTENIMIENTO PREDICTIVO Y TECNOLOGIAS DE DIAGNOSTICO MONOGRAFIA Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTA: EDUARDO GARCÍA MURRIETA DIRECTOR: ING. RODOLFO SOLÓRZANO HERNÁNDEZ XALAPA, VER. FEBRERO 2012

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3 P á g i n a 3 Mantenimiento predictivo y tecnologías de diagnostico Índice Capítulo 1 La prevención condicionada pág. 4 Capítulo 2 Roles y profesionalidad en el mantenimiento predictivo pág. 6 Capítulo 3 Modelos organizativos del mantenimiento predictivo pág. 7 Capítulo 4 Presupuestos para un sistema de monitoreo pág. 9 Capítulo 5 Las tecnologías de diagnóstico y los equipos pág. 12 Bibliografía y conclusiones.pág.85,85

4 P á g i n a 4 LA PREVENCIÓN CONDICIONADA CAPÍTULO 1 La misión del mantenimiento consiste en conservar los equipos y las instalaciones durante su vida útil, para que estén en condiciones de producir bienes y servicios en determinada cantidad y calidad al mínimo costo posible. Es útil recordar este asunto fundamental, como apertura de este capítulo sobre el mantenimiento según condición y predictivo y sobre las metodologías de diagnóstico, en apoyo de estas políticas de mantenimiento. Un mix de políticas, en el cual prevalezca el mantenimiento preventivo en sus diferentes articulaciones. (El nivel óptimo se sitúa entre el 70% y el 80 % del total de los recursos erogados), es la solución preferible por ser la más económica. Volviendo al mantenimiento según condición y predictivo, es bueno precisar que es una prevención condicionada es decir, orientada a la sustitución de un componente o de un subconjunto al cual es posible detectar un deterioro incipiente. La detección del deterioro se puede hacer a través de visitas y controles visuales o mediante mediciones con equipos e instrumentos, de los parámetros correlativos al desgaste (un ejemplo clásico es la falta de balance de una masa rotante y la vibración consiguiente). El diagnóstico es el resultado de la medición de parámetros que, oportunamente correlacionados según leyes empíricas y elaboradas, permiten evaluar el estado de los equipos, equipamientos y componentes, y decidir si hay que efectuar una determinada intervención de mantenimiento. La ingeniería del mantenimiento ha crecido indudablemente en los últimos treinta años en Italia y en los países industrializados. A continuación se muestra un esquema que pone en evidencia, en empresas de excelencia y que por tanto debe ser considerado como objetivo a seguir, una disminución drástica del mantenimiento correctivo del 60% al 10% y un mantenimiento planificado (preventivo de mejoras) que llega al 90%, en cuyo ámbito el mantenimiento sobre condición y el predictivo pasan del 20% al 50%.

5 P á g i n a 5 FIGURA 1: Evolución del mix de políticas desde 1970 al 2000 en empresas de excelencia. Es muy interesante evidenciar, siempre en los últimos treinta años, la tendencia de los índices de gastos de mantenimiento/activos fijos técnicos brutos y gastos de mantenimiento/valor de reemplazo, que resultan sensiblemente decrecientes, pudiendo imputar estos resultados principalmente al desarrollo del mantenimiento según condición y predictivo y al desarrollo del diagnóstico. FIGURA 2: Tendencias de los índices relativos a los costos de mantenimiento.

6 P á g i n a 6 CAPÍTULO 2 ROLES Y PROFECIONALIDAD EN EL MANTENIMIENTO PREDICTIVO El mantenimiento predictivo y el basado en la condición, representan una forma de ver al mantenimiento, una valorización de las tecnologías de diagnóstico, y sobre todo un comportamiento organizativo orientado a una prevención "sobre condición". Esta mentalidad debe difundirse por toda la estructura, desde los roles gerenciales hasta los operativos, involucrando los obreros de producción hasta quien maneja el equipo o que realiza el mantenimiento autónomo que consiste prevalentemente en detectar señales débiles. Las actividades de inspección, que son la base del mantenimiento predictivo y según condición, deben realizarse en un contexto de rigurosa planificación, evitando las improvisaciones y las sugerencias de la oferta tecnológica. Es fundamental la sistematización de los controles. El empleado de mantenimiento, como médico del equipo, necesita informaciones continuas, aunque solo provengan de controles visibles, cuya frecuencia es función de la tasa de falla y de la criticidad de la misma. El inspector es una figura profesional que debe tener competencia especializada y sistémica: Especializada, relativa al conocimiento de los instrumentos de diagnóstico utilizados y a la capacidad de evaluación sobre la confiabilidad y la interpretación de los datos obtenidos; Sistémica, relativa al conocimiento del proceso y del equipo entendida en su unidad tecnológica y funcional.

7 P á g i n a 7 CAPÍTULO 3 MODELOS ORGANIZATIVOS DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO Los modelos organizativos del mantenimiento de inspección son tres, que pueden ser complementarios y no alternativos: Centralizado; Descentralizado; Mantenimiento autónomo. Las elecciones del mix de estos modelos están ligadas a orientaciones organizativas que atañen a todo el mantenimiento, así como también a toda la estructura organizativa de la empresa. Se hace referencia a la adopción de modelos, como los de una organización ágil, y a la descentralización más o menos dirigida de los recursos y de las responsabilidades del mantenimiento, en las áreas productivas. El modelo centralizado prevé una estructura de inspección centralizada, con recursos y equipamientos en un centro único y con eventual apoyo de la producción para las actividades de mantenimiento. FIGURA 3: Modelo centralizado del mantenimiento predictivo.

8 P á g i n a 8 El modelo descentralizado prevé la centralización de las inspecciones críticas y complejas, mientras que las inspecciones simples se realizan a través de inspectores descentralizados. También en este caso es determinante el aporte del mantenimiento autónomo. FIGURA 4: Modelo descentralizado del mantenimiento predictivo. Desde el punto de vista de la inspección, el ámbito del mantenimiento autónomo es aquel de inspecciones simples que hacen posible el reconocimiento a tiempo de las anormalidades y de la tendencia al deterioro, ampliando el espacio de la prevención según condición y permitiendo la anticipación de las desviaciones. Estas actividades representan para el operador de producción una de las responsabilidades más importantes en el ámbito del mantenimiento preventivo y un rol de sensor inteligente desarrollado en simbiosis con el equipo o el sector de la planta donde trabaja.

9 P á g i n a 9 CAPÍTULO 4 PRESUPUESTOS PARA UN SISTEMA DE MONITOREO La definición de las políticas es la base del proyecto del sistema de mantenimiento. El modo para definir las políticas del mantenimiento parte del conocimiento de dos parámetros fundamentales: La tasa de falla entendida como modalidad o como frecuencia de eventos en la unidad de tiempo; El costo global de la intervención de mantenimiento y de inspección referido a la unidad de tiempo. Con estos elementos es posible proyectar un correcto mantenimiento, lo que comporta la disponibilidad de informaciones acerca de las fallas y sus costos. En el Capítulo 4, referido a la fiabilidad, se trató ampliamente el tema de la tendencia de la tasa de fallas, asumida como están-dar en los manuales de consulta la llamada curva de la bañera. FIGURA 5: Curva de la bañera. Se entiende que esta cuerva se entiende en tres fases: Rodaje (o mortandad infantil): tasa de falla decreciente Vida útil: tasa de falla constante

10 P á g i n a 10 Desgaste: tasa de falla creciente En las fases cuya tasa de falla no es creciente (tasa de falla constante), el modo económicamente útil de hacer prevención es el de supervisar cada uno de los componentes críticos del equipo y hacer intervenciones preventivas dirigidas a aquellos componentes en los cuales hay realmente un fenómeno de deterioro. En general es posible afirmar: Rodaje: la política más oportuna es por falla, excepto que se aplique la política sobre condición cuando sea económicamente conveniente. Vida útil: si el equipo se puede inspeccionar, la política más oportuna es el mantenimiento según la inspección, cuando el costo global de mantenimiento por inspección es inferior al costo por falla; en caso contrario, la política a aplicar es por falla. Desgaste: las políticas más oportunas son el mantenimiento preventivo cíclico o bien aquel que sigue a una inspección, si el costo global del mantenimiento preventivo es inferior al costo global del mantenimiento por falla; en caso contrario, la política a aplicar es la del mantenimiento por falla. La lógica para la definición de las políticas de mantenimiento, debe enriquecerse con la consideración de la existencia o no de señales débiles, es decir, la posibilidad de que el progreso de la falla potencial muestre o no señales perceptibles o mensurables de algún modo. En caso afirmativo, habiendo verificado la factibilidad del control, se realiza la supervisión de la señal débil para conocer su tendencia en el tiempo y realizar la intervención del mantenimiento en el momento más oportuno, produciendo la situación típica del mantenimiento sobre condición y predictivo. No siempre la maquinaria presenta señales débiles monitoréales, para lo cual el MÍ X óptimo de políticas de mantenimiento deberá ser el resultado de un enfoque dinámico del problema, con retroactividad y mejora continua. El monitoreo puede desarrollarse con distintas modalidades: El operador percibe la señal débil; El técnico de mantenimiento realiza la observación visual sistemática;

11 P á g i n a 11 Las mediciones u observaciones se realizan con el uso de instrumentos y del diagnóstico técnico. El diagnóstico técnico es por tanto el instrumento más evolucionado a disposición del mantenimiento para la prevención de las fallas. Las políticas de mantenimiento preventivo con posterioridad a la inspección son dos: Según condición; Predictiva. El mantenimiento según condición es una política basada sobre la detección de un parámetro correlacionado con el deterioro de un componente para el cual es posible establecer un nivel de alarma que cuando es alcanzado debe activar una intervención de sustitución (p. ej. nivel de temperatura o de vibración, valor mínimo de espesor, etc.). El mantenimiento predictivo presupone siempre la capacidad de medir un parámetro en relación con el deterioro de un componente, en cuyo caso es posible, a través de la evaluación de una tendencia y de datos históricos, estimar la vida residual del componente. Esto permite realizar la intervención de sustitución en momentos de disponibilidad del equipo o instalación a fin de hacer una intervención oportuna y aumentar la vida útil del componente.

12 P á g i n a 12 CAPÍTULO 5 LAS TECNOLOGÍAS DE DIAGNÓSTICO Y LOS EQUIPOS Una correcta política de mantenimiento se basa en inspecciones y diagnóstico técnico. Del 40% al 60% del mantenimiento, según las tipologías operativas y con picos del 80% en el sector aeronáutico, se hace, en un proceso de ingeniería, siguiendo políticas de condición o predictivas. La posibilidad efectiva de aplicar estas políticas está relacionada a la disponibilidad de tecnologías de diagnóstico. Así como en el campo de las mediciones existe un sistema de tolerancia, para las anomalías de funcionamiento se puede definir un modelo con niveles de anormalidad aceptables, de modo que no comprometan las prestaciones del equipo. Es importante por tanto descubrir las anomalías, para compararlas con los estándares de aceptación que forman parte de las especificaciones del producto o del equipo, integrado en un proceso productivo específico. Es por esta exigencia que han nacido los sistemas de supervisión y diagnóstico no invasivos, es decir, un conjunto de exámenes, pruebas y detecciones que se realizan empleando métodos que no alteran los materiales y que no requieren ni su destrucción, ni el retiro de muestras. Con estas técnicas es posible realizar los controles en ejercicio, siguiendo periódicamente y, en algunos casos, de manera continua el desarrollo de la vida del componente bajo examen, e interviniendo para repararlo o sustituirlo en el momento en que dé seriales manifiestas de deterioro crítico. A continuación se analizan las técnicas más difundidas de control no destructivo, de supervisión y diagnóstico no invasivo, describiendo en todos los casos el principio sobre el cual se basan la aplicación, las técnicas de ensayo, los límites, las modalidades de visualización de los defectos y los desarrollos futuros (si se los hubiere previsto). Específicamente los argumentos se subdividen de la siguiente forma: Corrientes inducidas: Emisión acústica; Líquidos penetrantes; Magnetoscopia (inspecciones con partículas magnéticas); Métodos ópticos;

13 P á g i n a 13 Radiografía; Detección de fugas; Termografía; Ultrasonido; Análisis de vibraciones; Análisis de aceites lubricantes; Análisis del aceite de transformadores; Análisis de pérdidas dieléctricas. Corrientes inducidas Principio del método El campo magnético generado por una bobina alimentada con corriente alterna produce, en la pieza a examinar, corrientes inducidas (llamadas también corrientes parásitas o corrientes de Foucault). Tales corrientes influyen sobre el valor de impedancia de la bobina que la ha generado. La presencia de cualquier discontinuidad modifica la intensidad y el curso de las corrientes inducidas y por tanto la impedancia del circuito, cuya variación indica un posible defecto. A menudo se distingue la bobina que genera el campo magnético (primaria) de aquella en la cual se mide la variación de impedancia (secundaria), como en la siguiente figura.

14 P á g i n a 14 FIGURA 6: Principio del método de las corrientes inducidas. Aplicaciones El método de corrientes inducidas es de gran versatilidad, dado que permite todo tipo de aplicaciones que puedan correlacionarse con las variaciones de las características químicofísicas de cualquier conductor. En otras palabras, a través de la bobina de prueba se puede detectar hasta la más mínima falta de homogeneidad de un material, ya sea que esté determinada por variaciones de tipo geométrico, eléctrico o magnético. Por lo tanto, adaptando el método a cualquier exigencia específica, se pueden realizar controles para detectar: Falta de homogeneidad asociada a la geometría del material, como fisuras, deformaciones, inclusiones, variaciones de espesor, oxidaciones, etc.; Espesor de materiales no conductores sobre base conductora, o de materiales conductores sobre bases de distinta conductividad; Variaciones asociadas a la conductividad del material, falta de homogeneidad de las aleaciones, recalentamientos localizados, errores de tratamiento térmico, etc.; Variaciones asociadas a la permeabilidad del material, a través de la medición de la intensidad de los campos magnéticos. El método de investigación con corrientes inducidas, además de una gran variedad de aplicaciones, ofrece numerosas ventajas: elevada sensibilidad de examen, gran fiabilidad,

15 P á g i n a 15 rapidez de ejecución, bajo costo de ejecución. El método es una alternativa válida a la inaplicabilidad de la magnetoscopia (partículas magnéticas) para el control de productos de acero inoxidable austenítico. FIGURA 7: Campo de aplicación del método. Resulta además de gran utilidad poder realizar la investigación sin que haya contacto directo entre la sonda y la pieza en prueba, permitiendo el examen de piezas en movimiento. Por ejemplo, en el campo metalúrgico es posible controlar los materiales directamente a la salida de las trefiladoras y laminadoras, a pesar de su elevada velocidad y temperatura. Por la misma razón, en el campo artístico y arqueológico, no se corre el riesgo de dañar durante los controles las obras de arte u hallazgos. Técnicas de ensayo Las técnicas de ensayo se diferencian en dos aspectos: La aplicación manual o automática del método; El tipo de señal producto del defecto, en relación con las diversas características geométricas y eléctricas de las sondas utilizadas. El primer aspecto no necesita particulares explicaciones; el método puede automatizarse toda vez que el tipo de aplicación lo permita.

16 P á g i n a 16 En relación al segundo aspecto existen muchísimas sondas con características notablemente diversas. Se puede de hecho disponer de sondas estáticas o dinámicas, anulares para interiores, para superficies o para orificios, absolutas o diferenciales, con arrollamiento simple o doble, en puente o por reflexión. Cada una de las características mencionadas determina que una sonda sea particularmente más adecuada para ciertas aplicaciones que otra. Límites Las limitaciones del método están en estrecha relación con las características de los materiales a prueba. El método se puede aplicar solamente sobre materiales conductores y para localizar discontinuidades superficiales o internas, en profundidades no superiores a mm para materiales de conductividad medio-baja. Esta profundidad disminuye drásticamente para valores de conductividad más elevados y para materiales ferromagnéticos, donde como máximo se puede llegar a los 0,10-0,15 mm; La interpretación de los indicadores, a los efectos del reconocimiento del tipo de defecto, es dificultosa; La automatización del método resulta difícil en algunos casos, como cuando el control de los tubos debe llevarse a cabo tanto por dentro corno por fuera. Visualización del defecto La eventual discontinuidad del material bajo examen puede detectarse mediante dos técnicas diferentes: midiendo las variaciones de corriente en el circuito, asociadas al diferente valor de impedancia que de tanto en tanto muestra la bobina, u observando las variaciones de amplitud y del ángulo de fase del vector de la impedancia. En el primer caso, se utiliza un simple micro amperímetro; en el segundo, es necesario un osciloscopio capaz de visualizar el plano de impedancia de la bobina sobre los ruidos producidos por el ambiente. Figura 8: Sonda para el control de perforaciones en las coronas de sujeción de álabes de un rotor de turbina de avión.

17 P á g i n a 17 Figura 9: Visualización de defecto en tubos con equipos automáticos Desarrollos Las indiscutibles ventajas que ofrecen las corrientes inducidas como método de control no destructivo han determinado que se las use cada vez más, alentando de esta forma a los constructores de equipamientos a un rápido desarrollo tecnológico. Si bien hoy se puede ya disponer de complejos equipamientos que permiten amplias aplicaciones y gran fiabilidad, es razonable suponer que en un futuro cercano nuevos medios de elaboración de seriales ampliarán la posibilidad de emplear este método de investigación.