Análisis de Fallas Taller de Materiales Contenidos: Clase introductoria sobre la metodología del Análisis de Falla Presentación de un caso de estudio

¿Qué es una falla? ¿Por qué suceden fallas? ¿Por qué se analizan las fallas?

Falla: es el término utilizado para significar que un producto (pieza, componente, estructura) es incapaz de realizar la función para la cual fue diseñado dejando de ser útil técnica o económicamente: A-se ha tornado completamente inoperable B-es operable pero con pobre funcionalidad C-se ha deteriorado y no es confiable para su uso cotidiano Análisis de Falla: aplicación de un procedimiento sistemático para determinar las causas probables de falla

Deepwater Horizon

Optimización del diseño Servicio Fallas Análisis de fallas Aplicación de acciones correctivas

Metodología del análisis de fallas

Metodología del análisis de fallas Examen visual Fractografía Lupa Estereoscópica Microscopio Electrónico de Barrido (ESEM-EDS)

Mecanismos de Fractura Fractura frágil Fractura dúctil Fatiga

Fractura frágil Aspectos macroscópicos: marcas radiales o marcas chevron. Permiten determinar el origen de la fractura.

Fractura dúctil Es causada por una sobrecarga (diseño, fabricación, material, servicio excesivo) Aspecto macroscópico

Fatiga Macroscópicamente, la región de fatiga presenta marcas superficiales características: Ratchet Marks y Beach Marks

Caso de estudio ANÁLISIS DE CAUSA RAÍZ DE FISURA EN EXTREMO DE EJE Y ACOPLE DE UN GENERADOR ELÉCTRICO DE ALTA POTENCIA Trabajo presentado en las IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Bilmes, Pabloa; Llorente, Carlosa; Echarri, Juan Manuela; Echarri, Tomásb; Martinez, Angela; Zuzulich, Joséa; Saralegui, Gustavob aLaboratorio de Investigaciones de Metalurgia Física (LIMF); bUIDET Ingeniería Aplicada en Mecánica y Electromecánica (IAME). Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Objetivos del trabajo El presente trabajo está basado en el Análisis de Causa Raíz de fisuración de un extremo del eje de un generador de 307 MW – 3000 rpm por un mecanismo de fretting-fatiga con un estado de cargas de vibraciones torsionales. Fig. 1. Esquema lado turbina 307 MW – 3000 rpm. www.siemens.com. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Detección de la falla El sistema de control del generador informa un alto nivel de vibraciones, con parámetros de operación no admisibles. Se procede a la parada del generador e inspección del eje detectándose un defecto superficial en el extremo próximo al acople. Fig. 2. Extremo y acople del rotor de generador . www.siemens.com. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Ensayos no destructivos IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Ensayos no destructivos Se separan extremo del rotor y acople para determinar el origen de la fractura advirtiéndose la presencia de un patrón de fractura en “X”. Plano de fractura principal Acople Eje Fig. 4. END – tintas penetrantes. Fig. 3. Extracción del acople . Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Ensayos no destructivos IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Ensayos no destructivos Se establecen dos planos de fractura oblicuos y a 90 ° del deje del rotor mediante phased array. Se aprecia daño por freeting-corrosion en parte y contraparte (extremo y acople). Fig. 5. Fisuración del eje (izq.) y del acople (der.) antes de la apertura de las superficies de fractura. El daño por fretting se encuentra contorneado en naranja. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Superficie de fractura IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Superficie de fractura Se pone en evidencia el plano de fractura desarrollado por fatiga hasta las tres cuartas partes del área de la sección transversal del eje. Fig. 6.Obtención de la superficie de fractura. Fig. 7. Origen y desarrollo de la fractura en el extremo del rotor. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Casos documentados y mecanismos de daño actuantes IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Casos documentados y mecanismos de daño actuantes Se reunió evidencia en la literatura de análisis de falla similares, dando un marco para la discusión de los resultados del caso en estudio. Caso 1. Falla por fractura por fatiga en un eje y acople de generador de energía Fig. 8. “Coupled torsional vibration and fatigue damage of Turbine Generator Due to Gird Disturbance”. Chao Liu y Col. Beijing, China. 2014 Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Caso 2. Falla por fractura por fatiga en un eje de generador diésel. Caso 3. Fractura por fatiga torsional con inversión de cargas. Fig. 9. Eje del generador y acople con evidencia de una fractura por fatiga torsional. Craighead, I.A. and Gray, T.G.F. (2004) “Investigation of diesel generator shaft and bearing failures”. Fig. 10. Fractura en X (patrón estrella) debido a la presencia de inversión de cargas torsionales. “Fatigue Failures, With Special Reference to Fracture Characteristics”, G. A. Cottell, M.Sc., A.I.M. 2004 ASM International. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Daño por fretting-corrosion y fretting-fatigue IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Daño por fretting-corrosion y fretting-fatigue Generación de microfisuras que promueven la propagación de fractura por fatiga (fretting-fatigue). Desaparición del límite de fatiga (fretting-corrosion). Cambios microestructurales. A Figs. 11 y 12. Eje de acero al carbono con daño por fretting. Micrografía en el corte A-A. Failure Analysis and Prevention, ASM Handbook, Volume 11, 2002, ASM International Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Estudios realizados y discusión de resultados IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Estudios realizados y discusión de resultados Análisis fractográficos en parte y contraparte desgastadas y fisuradas (junta eje-acople). Análisis metalográfico  limpieza inclusionaria del acero y microestructura. Análisis químico del acero del eje y del acople mediante espectrómetro de emisión óptica. Ensayos mecánicos: Tracción, impacto (Charpy) y Dureza. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Análisis fractográficos (junta eje-acople). IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Análisis fractográficos (junta eje-acople). Se observó una superficie de fractura con rasgos característicos de una fractura por fatiga con origen en el daño superficial por fretting-corrosion. Fig. 13. Superficie de fractura del eje donde se aprecia el patrón de fractura por fatiga. En naranja se señala el origen de la fractura. Der: Imagen SEM donde se aprecia la región de origen de fractura con presencia de fretting. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Análisis químico. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Microestructura y propiedades mecánicas. IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Microestructura y propiedades mecánicas. Eje y acople presentan una microestructura de martensita revenida con una dureza promedio de 320 HV10 y 279 HV10 respectivamente. Estas características del material son las adecuadas para este tipo de aplicación y servicio. Fig. 15. microestructura de temple y revenido para el acero del eje (izq.) y del acople (der). Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Modificación superficial y microestructural del fretting. IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Modificación superficial y microestructural del fretting. El daño por el microdeslizamiento adhesivo generó fisuras superficiales y sub-superficiales (señaladas en verde) así como transformaciones microestructurales. Se observan partículas desprendidas por el desgaste de las partes acople-eje quedando en el eje parte del material del acople. Fig. 14. Izq: Macrografía del daño. Med: se pueden observar las marcas de maquinado y daño por fretting (SEM). Der: micrografía de la sup. del eje con presencia de metal de la contraparte daño por deformación con fisuras sub-superficiales de hasta 500 µm (flechas verdes). Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Conclusiones La fisuración del eje ocurrió por un mecanismo de freeting-fatigue a partir del daño ocacionado por freeting-corrosion . El estado de cargas fue detectado en servicio y compuesto por vibraciones torsionales; donde la concentración de tensiones producida por el mecanismo de daño que asiste a la falla fue suficiente para promover microfisuras de fatiga que propagaron debido a las tensiones de servicio. La mitigación del freeting se logra reduciendo las vibraciones torsionales, los microdeslizamientos (mejorando la junta estacionaria), introduciendo tensiones residuales compresivas en las sup. en contacto, incrementando la dureza superficial de los comptes. por tratamientos termoquímicos de endurecimiento (nitruración, etc.), y utilizando lubricantes antifretting. Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física

Gracias por su atención… ¿Preguntas? IV Jornadas de Investigación, Transferencia y Extensión de la Facultad de Ingeniería Gracias por su atención… ¿Preguntas? Carrera de Ingeniería en Materiales – Área Departamental Mecánica Laboratorio de Investigaciones en Metalurgia Física