VIDA EN SERVICIO Y RIESGO DE ROTURA EN ESTRUCTURAS SOMETIDAS A AMBIENTES AGRESIVOS

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1 VIDA EN SERVICIO Y RIESGO DE ROTURA EN ESTRUCTURAS SOMETIDAS A AMBIENTES AGRESIVOS M. V. Biezma 1, J. R. San Cristóbal 2, R. Martínez 1 1 Departamento de Ciencia e Ingeniería del Terreno y los Materiales, E. T. S. de Náutica, Universidad de Cantabria, Dique de Gamazo, s/n, Santander, España. biezmav@unican.es; rmartinez@alumnos.unican.es 2 Dpto. de Ciencias y Técnicas de la Navegación y de la Construcción Naval. E. T. S. de Náutica, Universidad de Cantabria, Dique de Gamazo, s/n, Santander, España. jose.sancristobal@unican.es RESUMEN Todas las estructuras deben desarrollar su función de manera óptima durante el tiempo para el cual están diseñadas. Sin embargo, cuando están sometidas a ambientes agresivos, se deterioran rápidamente con el tiempo. Para mantener sus propiedades se hace necesario, en numerosas ocasiones, dedicar considerables recursos humanos, económicos y técnicos a su mantenimiento o reemplazo. A pesar de que existen regulaciones específicas para controlar dichas propiedades durante su Vida en Servicio, con su consiguiente coste, el riesgo de rotura no se elimina completamente. El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado, clarificar el concepto de Vida en Servicio y compararlo con otras definiciones como Vida Útil, Vida Técnica o Vida Operativa. En segundo lugar, analizar otros factores vinculados al diseño, a la selección de materiales, a las medidas anticorrosión a aplicar, etc., de aquellas estructuras sometidas a ambientes agresivos para minimizar el riesgo de rotura, y asegurar que la integridad estructural se mantiene durante toda la Vida en Servicio. ABSTRACT All structures are designed so that perform their function with an optimal yield during the time for that they were designed. Nevertheless, they can quickly lost their initial properties with the time, when are working in aggressive environment, i.e, sea water. In order to maintain their properties and avoid a risk of in service failure is necessary devoted attention to human, economic, inspections and maintain activities. So, the risk of failure during the service life is not eliminates completely in spite of existing specific rules in order to control this undesirable event. The objective of this work is double; first tries to define with clarity concepts that sometimes are used in a arbitrary manner that can mark the security of a component. These concepts are the following ones: Useful Life, Technical Life, Utility Life, Operative Life, etc.; in a second time, to ensure that structural integrity can be maintained during the lifetime of the unit, risk-based management options must be considered. PALABRAS CLAVE: Vida en Servicio, Rotura, Riesgo. 1. INTRODUCCIÓN El factor que desencadena más fallos en servicio de los materiales metálicos es el estado tensional de fatiga que, en el caso particular del ámbito aeronáutico, constituye un 57.6 % de los daños, frente a un 29.4 % de los ocasionados por la corrosión y un 13% los producidos por impactos de distinta naturaleza [1]. El problema aún se acrecienta más cuando aparece la sinergia entre la fatiga y un ambiente agresivo específico, que origina el conocido y bien definido fenómeno de Corrosión- Fatiga, experimentado en la mayoría de sistemas metálicos [2]. La corrosión es un proceso dinámico; este hecho entorpece aún más la predicción de la vida en servicio de una estructura, componente o elemento, ya que las condiciones tanto físico-químicas del medio que origina la corrosión, como los efectos que produce en el material están cambiando constantemente. Desde este punto de vista, y para clarificar la agresividad de las atmósferas, se han clasificado genéricamente en varios tipos, siendo las más agresivas las marino-industriales y, en particular, aquellas vinculadas a la actividad petroquímica, por su elevado contenido en H 2 S, y a la posible actividad microbiológica que se puede producir 467

2 en aguas estancadas y poco renovadas; en todos los casos, el ph es un reflejo de la acidez del medio vinculado a la cantidad de hidrógeno presente en el medio. El hidrógeno puede introducirse en el material, fragilizándolo con cinéticas muy elevadas. Estudios recientes han demostrado que la velocidad de propagación de fisuras puede aumentar hasta 4 órdenes de magnitud en procesos de corrosión fatiga respecto a la fatiga pura [3]. El tamaño y la distribución de los defectos ocasionados por la corrosión influirán notablemente en lo que se denomina Vida en Servicio de una estructura, concepto flexible y de difícil definición, pues depende íntimamente del material implicado, su diseño, estado tensional y tipo de ambiente al que esté sometido. A modo de ejemplo, la Vida en Servicio de un barco es de 20 años, la de una tubería empleada en el sector petroquímico de 30 años, la de un contenedor de residuos nucleares de 1000 años, y horas de vuelo la de un avión. El objetivo de este trabajo es doble. Por un lado, clarificar el concepto de Vida en Servicio y compararlo con otras definiciones como Vida Útil, Vida Técnica o Vida Operativa. En segundo lugar, analizar otros factores vinculados al diseño, a la selección de materiales, a las medidas anticorrosión a aplicar, etc., de aquellas estructuras sometidas a ambientes agresivos para minimizar el riesgo de rotura, y asegurar que la integridad estructural se mantendrá durante toda la Vida en Servicio. 2. VIDA ÚTIL, VIDA OPERATIVA, VIDA EN SERVICIO A la hora de determinar el período de tiempo durante el cual una estructura va a estar, o se pretende que esté en funcionamiento, son básicamente tres los conceptos que se utilizan: Vida en Servicio, Vida Útil y Vida Operativa. Durante ese tiempo, la estructura debe trabajar bajo determinadas condiciones de seguridad, sin existir riesgo de fallo mientras desempeñe las funciones para las que ha sido seleccionada, atendiendo a sus propiedades iniciales. Tras hacer una exhaustiva revisión bibliográfica [4-12], para conocer y analizar la Vida en Servicio de estructuras sometidas a estados tensionales y en ambientes de elevada agresividad, se ha comprobado que no existe una unificación de criterios para definir los conceptos de Vida en Servicio, Vida Útil, y Vida Operativa. Este hecho es consecuencia de considerar al diseño como uno de los criterios más relevantes en el caso de grandes estructuras, como es el caso que nos ocupa en este trabajo. La tabla 1 muestra los criterios que han primado, en orden de importancia, a la hora de definir cada uno de los conceptos anteriores, y los principales sectores industriales en los que se han utilizado. A partir de estos datos, los autores del presente trabajo proponen, para cada uno de los conceptos anteriores, las siguientes definiciones: 1.- Vida Útil es el tiempo de funcionamiento de cualquier elemento, componente o estructura teniendo en cuenta su evolución dinámica de cambio de propiedades, en condiciones de seguridad y fiabilidad, considerando el mantenimiento tanto preventivo como predictivo. 2.- Vida Operativa es la esperanza de vida que tiene un elemento, componente o estructura para realizar un trabajo, con una explotación de aprovechamiento máximo, basado en un diseño adecuado. 3.- Vida en Servicio es el tiempo de funcionamiento de cualquier elemento, componente o estructura teniendo en cuenta su integridad, fiabilidad y rendimiento. Tabla 1. Criterios empleados en las definiciones de Vida Útil, Vida Operativa y Vida en Servicio y algunos de los sectores industriales implicados Vida Útil Vida Operativa Vida en Servicio Diseño Diseño Rendimiento Generación y Transformación Energética Petroquímica, Automoción, Aviación, Biomedicina Electrónica, Automoción, Petroquímica, Sanitario, Tuberías, Construcción Civil Aeronáutica, Generación y Transformación Energética, Construcción Civil, Construcción Naval, La figura 2 muestra la interrelación de los conceptos presentados. Lo aspectos económicos influyen notablemente tanto en la Vida Útil como en la Vida Operativa, las cuales están interrelacionadas entre sí. No obstante, los tres conceptos utilizados en el presente trabajo, Vida en Servicio, Vida Útil y Vida Operativa 468

3 van a determinar los años que la estructura, componente o elemento mantendrá sus propiedades sin riesgo de fallo en servicio. Economía Vida en Servicio Vida Útil Vida Operativa AÑOS QUE LA ESTRUCTURA, COMPONENTE O ELEMENTO MANTENDRÁ SUS PROPIEDADES SIN RIESGO DE FALLO EN SERVICIO Figura 2. Interrelación de los conceptos que definen la Vida en Servicio, Vida Útil y Vida Operativa 3. ANÁLISIS DEL RIESGO Podemos definir el Riesgo como la pérdida esperada o el daño asociado con la ocurrencia de un posible evento no deseado [13]. Su valoración intenta dar respuesta a cuestiones tales como: Qué puede ir mal? Cómo puede suceder? Cuál es la probabilidad de ocurrencia? Cuáles serían las consecuencias?. Distinguimos distintos tipos de situaciones que podríamos llamar de incertidumbre o de conocimiento parcial [14,15]: 1. El acontecimiento esperado está claramente definido, y su probabilidad de ocurrencia está firmemente establecida en análisis estadísticos. Un ejemplo de esta situación la encontraríamos en los componentes electrónicos, en donde la tasa de fallo de un componente es conocida. 2. El acontecimiento esperado también está claramente definido, pero las probabilidades de ocurrencia no están lo suficientemente establecidas, ya que los ambientes de trabajo no son lo suficientemente genéricos. El elemento principal se intenta descomponer en subelementos de los que se dispongan análisis estadísticos. La Fiabilidad estructural de un buque sería el ejemplo más característico, puesto que es habitual que trabajen estructuras similares en entornos totalmente distintos. En este punto merece hacer una llamada de atención a las técnicas anticorrosivas que se aplican a distintas estructuras marinas [16,17]. Cuando el elemento principal no se puede descomponer, pero es posible aplicar ensayos aparece el llamado Enfoque Bayesiano. Un caso muy frecuente lo tenemos en las inspecciones periódicas y al azar que se hace en tuberías API, empleadas en el sector petroquímico [18-20]. 3. Las probabilidad están más o menos establecidas, pero el acontecimiento en sí mismo no está claramente definido. Por ejemplo la pieza de un componente está especificada simplemente por no tan buena. La utilización de la Lógica Fuzzy, donde el grado de pertenencia de un atributo a una categoría está sujeto a las reglas de la probabilidad, es la más empleada en este tipo de situaciones. Los casos en donde más se han estudiado, atendiendo a las probabilidades de fallo, lo encontramos en estructuras de hormigón armado en ambientes marinos [21]. Los Modelos de Decisión e Incertidumbre, suministran una serie de herramientas que nos permiten dar respuesta a dos preguntas claves en la Gestión del Riesgo [22]: Qué puede ocurrir? y Cómo actuar? A la primera pregunta se da respuesta a través de la construcción de modelos de incertidumbre, mientras que a la segunda pregunta se responde a través de los modelos de decisión. Ambos tipos de modelos pueden ayudarnos a controlar la integridad de los sistemas, además de mantenerlos en unos niveles de rendimiento determinados, para preservar su valor económico. La figura 3 muestra un Diagrama de un Modelo de Gestión del Riesgo. 469

4 Gestión del Riesgo Qué puede ocurrir? Cómo actuar? Modelos de Incertidumbre Modelos de Decisión Escenarios Intervalos Modelos Probabilísticos Valor Esperado Teoría de la Utilidad Diagramas de Influencia Figura 3. Modelo de Gestión del Riesgo 4. CONCLUSIONES Todas las estructuras deben desarrollar su función de manera óptima durante el tiempo para el cual están diseñadas. El riesgo de fallo de dichas estructuras se acrecienta más cuando aparece la sinergia entre estados tensionales, como puede ser la fatiga, y determinados ambientes agresivos. Los conceptos de Vida en Servicio, Vida Útil y Vida Operativa que se utilizan para definir ese período de tiempo, durante el cual la estructura debe trabajar bajo determinadas condiciones de seguridad, sin existir riesgo de fallo, no están claramente definidos. Estos conceptos se emplean de forma arbitraria, influenciada por la actividad implicada que conlleva implícitamente un ambiente de trabajo de distinto grado de corrosividad. El presente trabajo, además de clarificar los conceptos de Vida Útil, Vida Operativa y Vida en Servicio, muestra un Modelo de Gestión del Riesgo basado en los modelos de Decisión e Incertidumbre. Dichos modelos nos pueden ayudar a controlar la integridad de los sistemas, además de mantenerlos en unos niveles de rendimiento determinados. 5. REFERENCIAS [1] Vogelesang, L. B. and Vlot, A., Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures, Journal of Materials Processing Technology, 103, (2000), pp [2] Revie R. W. and Uhlig, H. H., Corrosion and Corrosion Control, 4th ed., Wiley&sons, USA, pp , 2008 [3] Pan, J. Z. and Khan, Z. A., Corrosion Fatigue of 16 Mn Pressure Vessel Steel in H 2 S environment, in Undestanding and Predicting Material Degradation, ASME, Ed. By R. Mohan (2000), pp [4] Trinius, W. and Sjostrom, C., Service life planning and performance requirements, Building Research and Information, 33, (2005), pp [5] Jia, Y., Shibata, R., Yamamura, N. and Ishida, M., A control method of prolonging the service life of battery in stand-alone renewable energy system using Electric Double Layer Capacitor (EDLC). Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Drive Systems, (2005), pp [6] Doroshuk, B. W., Berto, D. S. and Robles, M., Excellent and Economic Nuclear Plant Performance, ASME, Nuclear Engineering Division NE, (1990), pp [7] Xue, F., Bonissone, P., Varma, A., Yan, W., Eklund, N. and Goebel, K., An instance-based method for remaining useful life estimation of aircraft engines. Journal of Failure Analysis and Prevention, 8, (2008), pp [8]Norton, J.D. and Miller, J.E., Cold Regions Engineering Cold Regions Impacts on Transportation and Infrastructure. Proceedings of 470

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