ANLISIS DE FALLA DE UN CABLE DE UN SISTEMA SINCRO …

ANÁLISIS DE FALLA DEL CABLE DE UN SISTEMA SINCROELEVADOR DE BARCOS

Autor JOSÉ ANDRÉS RIVERA DELGADO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C

2008

ANÁLISIS DE FALLA DEL CABLE DE UN SISTEMA SINCROELEVADOR DE BARCOS

Autor JOSÉ ANDRÉS RIVERA DELGADO

Proyecto de grado

para optar por el título de Ingeniero Mecánico

Profesor Asesor WILSON HORMAZA, Dr. Ing.

Profesor Co-asesor ALEJANDRO MARAÑÓN, Ph. D.

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ, D.C

2008

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Porque el Señor da la sabiduría, y de su

boca viene el conocimiento y la inteligencia

Proverbios 2:6

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TABLA DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS . ...………………………………………………………….......... 6

ÍNDICE DE FIGURAS. ……………………………………………………………………. 7

ÍNDICE DE TABLAS …………………………………………………………………… 9

OBJETIVOS ………………………………………………………………………………. 10

1. INTRODUCCIÓN ………………………………………………………………… 11

2. DEFICICIÓN DEL PROBLEMA ………………………………………………….. 13

3. MARCO TEÓRICO ……………………………………………………………………. 16

3.1 CABLES DE ACERO ………………………………………………………………….. 16

3.1.1 Elementos ……………………………………………………………………. 16

3.1.2 Tipos de enrollamiento y torsión ……………………………………... 17

3.1.3 Construcción y designación …………………………………………… 18

3.1.4 Materiales . Proceso de fabricación. Preformado. Recubrimiento . 19

3.1.5 Clasificación de alambres ………………………………………………….. 20

3.1.6 Tipos de almas … …………………………………………………………… 21

3.1.7 Alargamiento ………………………………………………………………... 22

3.1.8 Resistencia del cable y factor de seguridad ………………………… 22

3.1.9 Presión cable-polea. Relación D/d ………………………………………. 23

3.1.10 Resistencia a la abrasión y Resistencia a fatiga …………………... 24

3.1.11 Dureza de alambres y poleas …………………………………………. 24

3.1.12 Almacenamiento y conservación de cables ……………………….. 24

3.1.13 Características que deben cumplir poleas y tambores …………. 25

3.1.14 Ángulo de desviación …………………………………………………… 25

3.1.15 Entorno de operación. Lubricación……………………………………. 26

3.1.16 Inspección del cable. Criterios de rechazo ………………………….. 27

3.1.17 Normas internacionales para uso de cables ………………………. 28

3.2 MODOS DE FALLA TÍPICOS EN CABLES ……………………………….. 28

3.2.1 Fractura total del cable . ………………………………………………… 29

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3.2.2 Ruptura de alambres por fatiga ........................................................ 30

3.2.3 Desgaste abrasivo y adhesivo ……………………………………………. 30

3.2.4 Corrosión ……………………………………………………………………… 31

3.2.5 Deformaciones plásticas en alambres ………………………………… 32

3.2.6 Doblado ………………………………………………………………………. 33

3.2.7 Destrenzado de alambres y torones ……………………………………. 33

4. ANÁLISIS DE FALLA …………………………………………………………………. 34

4.1 RECOPILACIÓN DE ANTECEDENTES DE FALLA. …………………………. 34

4.1.1 Proceso de fabricación del cable ………………………………………… 34

4.1.2 Especificaciones técnicas del cable . …………………………………… 34

4.1.3 Especificaciones de operación y mantenimiento ……………………… 35

4.1.4 Obtención de la geometría del alma ……………………………………… 36

4.1.5 Inspección visual y Registro fotográfico del alma ……………………… 37

4.2 MATERIALES Y MÉTODOS ………………………………………………………. 39

4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN ……………………………………………………. 40

4.3.1 Cálculos teóricos de esfuerzo sobre el cable …………………………… 40

4.3.2 Composición química ………………………………………………………… 42

4.3.3 Ensayo de Microdureza ……………………………………………………… 42

4.3.4 Microestructura ………………………………………………………………..43

4.3.5 Ensayo de tensión ……………………………………………………………..45

4.3.6 Fractografía …………………………………………………………………… 47

4.3.6.1 Fractografías de las zonas ……………………………………………... 47

4.3.6.2 Fractografías de alambres individuales …………………………….. 53

4.3.6.3 Fractografías de alambres individuales en SEM ……………………. 60

4.4 CONCEPTO DE FALLA ……………………………………………………………. 67

4.5 CONCLUSIONES …………………………………………………………………...68

4.6 SUGERENCIAS …………………………………………………………………………68

BIBLIOGRAFÍA ………………………………………………………………………………69

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AGRADECIMIENTOS

Ante todo le doy gracias a Dios, el motor y sustento de toda mi existencia. Muchas gracias al profesor Wilson Hormaza por su continua colaboración y su guía, sin esa ayuda no hubiera sido posible realizar este trabajo. Al profesor Alejandro Marañón, por su atención y colaboración. A Cotecmar, por todo su apoyo y amabilidad. A mis padres, por sus palabras de ánimo en todo momento. A Ingrid Arias, por toda su comprensión y su apoyo incondicional. Finalmente, muchas gracias a ECOPETROL y al programa “Bachilleres por Colombia” por ayudarme a construir un sueño.

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ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. 1. (a) Sincroelevador (Cortesía de Cotecmar) y Maniobras de (b) bajada y (c) subida de plataforma ……………………………………………………………... 13 Fig. 2. Mecanismo de montacargas. (a) vista de tres montacargas.

(b) tambor del montacargas. (c) juego de 4 poleas sujetas a la plataforma. (d) cables que pasan al juego de poleas fijas en tierra y amarre fijo resaltado en óvalo ………………………………………………………………………………. 14

Fig. 3. Construcción del cable fallado. 6 x 36 + (7x7 IWRC) ……………………….. 15 Fig. 4. Esquema de un cable típico …………………………………………………… 17 Fig. 5. Tipos de enrollamiento y torsión ………………………………………………… 17 Fig. 6. Construcciones típicas de cables ……………………………………………... 18 Fig. 7. Cable. 6 x 36 + (7x7 IWRC). ………………………………………………………. 19 Fig. 8. Proceso de fabricación típico de un cable ………………………………….. 19 Fig. 9. Rangos de resistencia a la tensión de acuerdo al grado de acero arado . 21 Fig. 10. Paso del cable de diámetro d por polea de diámetro D …………………. 23 Fig. 11. Relación entre resistencias a la abrasión y a la fatiga ………………….... 24 Fig. 12. (a) Dimensiones de gargantas de poleas y (b) de ranuras de tambores.. 25 Fig. 13. Angulo de desviación permisible ……………………………………………… 26 Fig. 14. Cable fracturado ………………………………………………………………….. 29 Fig. 15. Fractura tipo copa cono …………………………………………………………. 29 Fig. 16. (a) Alambres fracturados por fatiga. (b) y (c) alambres fracturados por fatiga sin deformación plástica a 90º y 45º respectivamente …………… 30 Fig. 17. (a) Desgaste abrasivo. (b) Desgaste adhesivo …………………………….. 31 Fig. 18. (a) Corrosión generalizada. (b) Corrosión por picadura …………………. 32 Fig. 19. (a) y (b) Deformación plástica en alambres ……………………………….. 32 Fig. 20. Doblado de cables…………………………………………………………………. 33 Fig. 21. Destrenzado de torones ………………………………………………………… 33 Fig. 22. a) Geometría del alma. b) Sección transversal del alma………………….. 37 Fig. 23. Zonas de falla encontradas en la región de falla …………………………. 38 Fig. 24 (a) Superficie transversal. (b) Superficie longitudinal ……………………. 43 Fig. 25. Comparación entre la metalografía realizada (a) y la obtenida de [21] (b) 44 Fig. 26. (a) Metalografía realizada 200X y (b) Metalografía de la sección longitudinal de un alambre de acero 1070, 100X …………………………………………. 44 Fig. 27. (a) Metalografía realizada 6000x y (b) Metalografía de la sección transversal de un alambre trefilado 200X ……………………………………. 45 Fig. 28. Alambre seleccionado para ensayo de tensión ……………………………. 45 Fig. 29. Rangos de resistencia a la tensión de acuerdo al grado de acero arado 46 Fig. 30. Zonas 1 y 5 (a). Zona 1, 10X (b). Zona 5, 10x (c) …………………………… 48 Fig. 31. Zona 3 (a). Zona 3, 10X (b) …………………………………………………….. 48 Fig. 32. Zonas 2 y 4 (a). Zona 2, 10X (b). Zona 4, 10X (c) ……………………………. 49 Fig. 33. Fracturas a 45°. a) corresponde a la zona 1, 20X. b) corresponde a la zona 2, 18X.c) corresponde a la zona 4, 20X ………………………………………. 50 Fig. 34. Fracturas a 90°. a) corresponde a la zona 1, 18X. b) corresponde a la zona 2, 18X.c) corresponde a la zona 3, 20X ………………………………………. 51 Fig. 35. Desgaste adhesivo. a) corresponde a la zona 3, 20X. b) corresponde a la

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zona 5, 18X. c) corresponde a la zona 5, 20X………………………………. 52 Fig. 36. Fracturas a 45°. De (a)-(e) se muestran superficies fracturadas a 45 °. En (f) y (g) se muestran dos vistas laterales, en las cuales se puede notar que los alambres no presentan deformación plástica ……………………….. 54 Fig. 37. Alambre fracturado a 45°, 40X ………………………………………………. 55 Fig. 38. Fracturas a 90°. De (a)-(c) se muestran superficies fracturadas a 90 °. En (d) y (e) se muestran dos vistas laterales, en las cuales se puede notar que Los alambres presentan cierta deformación plástica ………………….. 56 Fig. 39. Alambre fracturado a 90°, 40X ……………………………………………….. 57 Fig. 40. Desgaste adhesivo. (a) y (b) Señales de desgaste adhesivo en alambre de uno de los torones exteriores, con apariencia de hendiduras planas. (c) Desprendimiento de material superficial …………………………………… 58 Fig. 41. (a) Indentación ó severa deformación plástica en alambre de torón exterior, 20X. (b) Aumento de (a), 40X ............................................... 59 Fig. 42. (a) Corrosión por picadura, 25X. (b) Corrosión por picadura, 40X…….. 60 Fig. 43. Alambre fracturado a 45º, 100X ......................................................... 61 Fig. 44. Superfície de fractura a 45º, 125X. Vista de planta............................... 61 Fig. 45. (a) Microcavidades (dimples) en la zona de inicio de la falla, 3000X. (b) Propagación de grietas por clivaje de forma intergranular predominantemente, 6000X…………………………………………………….. 62 Fig. 46. Alambre fracturado a 90º, 100X............................................................ 63 Fig. 47. (a) Superficie de fractura a 90º, vista de planta 200X. (b) Aumento de rectángulo señalado, 800X …………………………………………………….. 64 Fig. 48. (a) Marca de desgaste adhesivo, 75X. (b) y (c) Aumentos de rectángulos señalados, 500X y 800X respectivamente …………………………………… 65 Fig. 49. (a) Deformación plástica (indentación), 50X. (b) Aumento de (a). (c) Marcas de trefilado toman la forma curva de la indentación, 400X y (d) Zona donde se pierden las marcas de trefilado debido a la fuerte presión entre torones, 400X ……………………………………………………………... 66

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Clasificación del material de alambres, según su resistencia a la tensión nominal. ASM METALS HANDBOOK . . . . . . . . . 20 Tabla 2. Factores de seguridad típicos . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Tabla 3. Relaciones D/d. Tomado de EMCOCABLES . . . . . . . . . 23 Tabla 4. Especificaciones técnicas de sincroelevador. Tomado de O&M Manual, Syncrolift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Tabla 5. Especificaciones técnicas de cable. Tomado de O&M Manual, Syncrolift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Tabla 6. Programa de mantenimiento de cable. Tomado de O&M Manual Syncrolift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Tabla 7. Criterios de rechazo y sustitución. Tomado de O&M Manual, Syncrolift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Tabla 8. Composición química del material de los alambres, porcentaje en peso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Tabla 9. Composición química de un AISI 1070, porcentaje en peso . . 42 Tabla 10. Dureza del material de los alambres . . . . . . . . . . . .43 Tabla 11. Resultados del ensayo de tensión de una muestra de tres alambres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

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OBJETIVOS

GENERAL Desarrollar las etapas de un análisis de falla con el fin de determinar la causa más probable de la falla de un cable y recomendar acciones correctivas al respecto. ESPECÍFICOS

• Caracterizar el material de fabricación del cable • Establecer el modo de falla del cable, por medio de ensayos

macroscópicos y microscópicos. • Determinar los esfuerzos a los que se encuentra sometido el cable

para, de esta forma ubicar el posible sitio de iniciación de falla. • Establecer la causa más probable de la falla del cable. • Recomendar y sugerir acciones preventivas a futuro.

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CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

En el mundo de la ingeniería y la industria, los elementos o componentes de algún dispositivo son concebidos, diseñados y manufacturados con el fin de desarrollar alguna función específica. Sin embargo, durante la operación de algún elemento o componente se pueden presentar sucesos que conlleven a que este ya no sea capaz de realizar la función para la cual se concibió. Cuando una situación como esta se presenta, se empieza a hablar de “falla”. El término falla, aplicado a algún elemento mecánico, es muy subjetivo, porque algún individuo puede considerar que un elemento ha fallado, mientras que otro puede considerar que el elemento aún es capaz de funcionar bien. En la práctica, durante la operación y servicio normal de algún elemento mecánico, se pueden presentar las siguientes condiciones:

I.) El elemento es capaz de realizar la función para la cual fue diseñado pero se torna demasiado inseguro y poco confiable.

II.) El elemento ya no es capaz de realizar satisfactoriamente la función para la cual fue concebido en un principio.

III.) El elemento se torna definitivamente inoperante. Cuando algunas de las primeras dos situaciones se presenta, se debe entrar a considerar la posibilidad de que el elemento pueda tener algún tipo de reparación. Sin embargo, también se debe considerar muy seriamente el posible retiro y remplazo del elemento. Para tomar una decisión se debe tener en cuenta el estado actual del elemento, la función que desempeña, el entorno de operación en el que se encuentra y las consecuencias que se pueden presentar en una eventual falla catastrófica del elemento. Cuando se presenta la tercera situación, el elemento es completamente inoperante, por lo cual debe ser remplazado, lo cual puede significar una parada en la producción de alguna máquina. El análisis de falla surge de esta manera como una metodología investigativa y práctica que tiene como objetivo determinar las causas más probables que conllevan a la falla de cierto elemento y así tomar las acciones preventivas y correctivas necesarias con el fin de evitar la

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repetición de accidentes en un futuro. Además, hay que tener en cuenta que la falla de cierto elemento mecánico seguramente sea causa de pérdida de material, de paro en la producción, lucro cesante y, en el peor de los casos, lesiones o pérdida de vidas humanas. No existe un procedimiento único establecido para la realización de un análisis de falla y dicho procedimiento dependerá de cada caso particular. Durante la vida de algún componente mecánico existen diversas etapas, como son: diseño, selección de materiales, procesos de manufactura, operación o servicio y mantenimiento. Cada una de las etapas de la vida del componente debe realizarse cuidadosamente y en estrecha relación con las otras, de forma que se pueda lograr un componente óptimo para cumplir la función deseada. El análisis de falla también tiene como objetivo establecer en cuales etapas de la vida del componente ha ocurrido algún error importante que haya contribuido a la falla. En el caso específico de cables de acero, se han realizado previamente muchos análisis de falla alrededor de todo el mundo. En este trabajo se pretende desarrollar las etapas de un análisis de falla con el fin de determinar la causa más probable de la falla de un cable que operaba en un sistema sincroelevador de barcos en la ciudad de Cartagena, Colombia.

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CAPÍTULO 2

DEFICICIÓN DEL PROBLEMA

El cable que falló operaba en un sistema sincroelevador de barcos en la ciudad de Cartagena, Colombia. El objetivo de un sincroelevador es el de subir embarcaciones marítimas o fluviales y llevarlos a tierra para realizarles reparaciones. Un sincroelevador de barcos consiste en una plataforma rectangular, la cual es movida en sentido vertical hacia la superficie del mar y hacia el fondo, por medio de varios mecanismos de montacargas a lado y lado de la plataforma.

(a)

Winches Winches

Winches Winches

Plataforma

Plataforma

(b) (c) Fig. 1. (a) Sincroelevador (Cortesía de Cotecmar) y Maniobras de (b) bajada y (c) subida de

plataforma. Tomado de [16]

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En la Fig. 1 (a) se puede observar la plataforma rectangular de 117 x 22 metros. La plataforma cuenta con 14 montacargas a lado y lado, para un total de 28 montacargas. También se observan las maniobras de bajada y subida de la plataforma Fig. 1 (b) y (c). La plataforma cuenta con una estructura de carros y rieles de acero que en su parte superior tienen madera, la cual toma la forma del casco de la embarcación a subir. De esta manera, la estructura se amolda a la forma del barco. Luego de que la embarcación es subida fuera del agua, el sistema de carros se encarga de transportarla hacia tierra para su reparación. Los montacargas están conformados por un cable, un tambor y dos juegos de poleas, el tambor y uno de los juegos de poleas (3 poleas) se encuentran fijos en tierra, mientras que el otro juego de poleas (4 poleas) se encuentra fija a la plataforma, de manera que se mueve con ésta. El tambor enrolla y desenrolla el cable. El cable sale del tambor, baja y pasa primero a través de una de las poleas sujetas a la plataforma, luego sube y pasa por una de las poleas fijas en tierra, luego vuelve a bajar a una de las poleas sujetas a la plataforma y así sucesivamente hasta completar su paso por las 4 poleas sujetas a la plataforma y por último sube a un amarre fijo en tierra. De esta manera, se logran las maniobras de subida y bajada de la plataforma.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 2. Mecanismo de montacargas. (a) vista de tres montacargas. (b) tambor del montacargas. (c) juego de 4 poleas sujetas a la plataforma. (d) cables que pasan al juego de poleas fijas en tierra y amarre fijo resaltado en óvalo.

En la Fig. 2 se muestran los componentes principales del mecanismo de montacargas.

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El cable que falló corresponde a un cable de acero de construcción 6 x 36 + (7x7 IWRC), como se puede observar en Fig. 3. Este tipo de construcción indica que el cable tiene 6 torones exteriores, cada uno conformado por 36 alambres, enrollados alrededor de un alma que a su vez es un cable independiente (Independent Wire Rope Core, IWRC). El número 7x7 indica que el alma esta formada por 7 torones, cada uno de 7 alambres.

Fig. 3. Construcción del cable fallado. 6 x 36 + (7x7 IWRC). Tomado de [3]

El cable fue retirado luego de una de las labores de mantenimiento rutinarias durante la cual, al desenrollar una sección de uno de los cables, se encontró que el alma presentaba una gran cantidad de alambres fracturados en una longitud de tan sólo 10 cm, aproximadamente. Este mismo patrón fue observado en varios cables. De esta forma, se decidió retirar de operación todos los cables que presentaron dicho patrón. El cable en cuestión había operado durante 9 años. El fabricante del cable recomendó que este se remplazara al cumplir 10 años de funcionamiento. Para realizar el análisis de falla se recibió el alma de uno de los cables que la empresa suministró, considerando que era el más crítico, es decir, el alma que visualmente parecía tener más alambres fracturados. El objetivo primordial de este trabajo es estudiar y analizar el alma que se recibió, con el fin de establecer las causas que probablemente ocasionaron la falla.

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CAPÍTULO 3

MARCO TEÓRICO

3.1 CABLES DE ACERO Un cable de acero es un elemento mecánico que sirve para transmitir movimiento, fuerza y potencia mecánica entre dos puntos. Debido a su construcción y proceso de fabricación, los cables presentan una gran resistencia a carga axial así como también una buena flexibilidad. Por esta razón, los cables de acero son ideales para el levantamiento de cargas pesadas y para la transmisión de movimiento, sobretodo entre dos puntos separados una gran distancia. Los cables de acero son componentes de suma importancia en todo tipo de actividad industrial, petrolera, minera, naval, de construcción, etc. Y son elementos indispensables de máquinas como grúas, maquinaria de minería, elevadores de personas y de carga, etc. El cable es un elemento muy sencillo pero hay que conocer a fondo sus características de diseño, operación y mantenimiento para lograr un buen desempeño de la máquina en la cual éste opera. 3.1.1 Elementos Un cable se encuentra constituido por los siguientes elementos:

Alambres: son el componente básico de los cables. Por lo general, son de sección circular, aunque también se encuentran alambres de secciones de diferentes formas. Torones o Cordones: Un torón o cordón es un conjunto de varios alambres enrollados helicoidalmente.

Alma: el alma es el soporte del cable y alrededor de ella se enrollan los torones en forma helicoidal. El alma puede ser de fibra o puede ser un torón independiente o un cable de acero independiente. En la Fig. 4 se muestran estos elementos.

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Fig. 4. Esquema de un cable típico. Tomado de [11]

El cable es, por tanto, una estructura formada por varios alambres enrollados helicoidalmente para formar torones. A su vez, los torones están enrollados helicoidalmente alrededor de un alma para formar la estructura final del cable. 3.1.2 Tipos de enrollamiento y torsión En un cable, los alambres dentro del torón se encuentran enrollados en cierto sentido, a su vez, los torones se encuentran enrollados en algún sentido alrededor del alma. Enrollamiento del tipo Lang: ocurre cuando los alambres en los torones y los torones en el cable tienen el mismo sentido de enrollamiento. Enrollamiento del tipo Regular o Cruzado: ocurre cuando los alambres en los torones y los torones en el cable tienen sentidos de enrollamiento diferentes. Los torones alrededor del alma pueden estar torcidos a la derecha o a la izquierda. En la Fig. 5. se pueden observar los tipos de enrollamiento y torsión.

REGULAR HACIA LA DERECHA

REGULAR HACIA LA IZQUIERDA

LANG HACIA LA DERECHA

LANG HACIA LA IZQUIERDA

Fig. 5. Tipos de enrollamiento y torsión. Tomado de [20]

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El enrollamiento tipo Lang ofrece una gran resistencia al desgaste y una mayor flexibilidad que el Regular. Sin embargo, es de mayor cuidado a la hora de manipular que el Regular, porque es propenso al doblado y al destrenzado. El enrollamiento Regular es más resistente a las deformaciones plásticas debido a presiones fuertes y es más fácil de manipular que el Lang puesto que es menos propenso a destrenzarse. Sin embargo, es menos flexible y tiene menor resistencia al desgaste por fricción que el Lang. 3.1.3 Construcciones geométricas y designación Actualmente, se encuentra una gran variedad de construcciones de cables. A continuación, se muestra una figura de las construcciones más importantes.

(a) (b) (c)

Fig. 6. Construcciones típicas de cables. Tomado de [3]

En la Fig. 6 (a) se puede observar una construcción de torón individual formado por muchos alambres. En la Fig. 6 (b) se muestra una construcción típica de cable, en dónde se tienen varios torones enrollados alrededor de un alma, este tipo de construcción es la más común y más utilizada en aplicaciones industriales. En la Fig. 6 (c) se observa una configuración de múltiples torones organizados en varias capas, ideal para aplicaciones en donde se requiere un buen rendimiento en torsión. Como se mencionó anteriormente, los cables más ampliamente usados son los de construcción típica, en donde se tienen varios torones alrededor de un alma. La designación de estos cables se realiza de la siguiente forma: A x B + C Ec. 1 En donde A es un número que indica la cantidad de torones exteriores del cable, B es un número que indica la cantidad de alambres que conforman cada torón. Por último, C indica el tipo de alma, AA: si es un alma de acero, AF: si es un alma de fibra. Por sus siglas en inglés, también se tiene la designación de alma IWRC (Independent Wire Rope Core) cuando el alma es un cable independiente, en este caso por lo general el alma es una

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configuración de 6 torones exteriores y uno central, todos formados por 7 alambres, configuración conocida como (7x7). Por ejemplo, el cable de la Fig. 7 tiene una designación 6 x 36 + (7x7 IWRC).

Fig. 7. Cable. 6 x 36 + (7x7 IWRC). Tomado de [3]

3.1.4 Materiales. Proceso de fabricación. Preformado. Recubrimiento El material utilizado comúnmente en la fabricación de los alambres es un acero de medio-alto carbono con un contenido de carbono cercano al eutectoide (Chaplin, 1995), es decir, 0.77% en peso de Carbono. Por tanto, el material se parece a un AISI 1070 mejorado por la adición de algunos aleantes y con un alto grado de trabajo en frío. El proceso general de fabricación de un cable se puede dividir en dos partes:

1. La obtención de los alambres individuales a partir del alambrón por medio de trefilación continua, hasta la obtención del diámetro de alambre deseado.

2. El proceso de cableado en forma helicoidal de los alambres para obtener los torones y posteriormente, el cableado de los torones alrededor del alma para obtener el cuerpo del cable.

TRAT. TÉRMICOS Y RECUBRIM. SUPERF.

ALAMBRÓN TREFILACIÓN TREFILACIÓN ALAMBRES

ALAMBRES CORDONEADO CABLEADO CABLE

Fig. 8. Proceso de fabricación típico de cable. Tomado de [11]

Durante el proceso de fabricación, los alambres pueden ser sometidos a algún tratamiento térmico deseado. También se les puede agregar algún tipo de recubrimiento, como un galvanizado, por ejemplo. Estas operaciones se pueden realizar antes de trefilar, en medio de trefilaciones sucesivas o al final de toda la trefilación. El preformado consiste en un proceso en el cual los alambres son deformados hasta la forma helicoidal que tendrán cuando formen los

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torones. A su vez, los torones ya formados son también deformados hasta la forma helicoidal que tendrán en el cuerpo final del cable. De esta manera, se mejora la vida a fatiga de los alambres, por cuanto al suprimir la deformación elástica, se suprimen también las tensiones internas de los alambres. Con esto, también se logra un cable mucho más flexible, manejable y mucho más duradero. Los alambres pueden ser revestidos con algún tipo de recubrimiento superficial. Los recubrimientos típicos son de zinc para lograr mejor resistencia a la corrosión y algunos cables se recubren con capas de aluminio o cobre cuando se utilizan en la conducción de energía eléctrica. Algunos cables pueden ser sometidos a compactación, proceso en el cual, los torones son compactados para que el cable no sufra destrenzado debido a torsiones desbalanceadas. 3.1.5 Clasificación de alambres Los alambres se pueden clasificar de acuerdo al tipo de recubrimiento que presenten. Por lo general, el recubrimiento utilizado en cables de transmisión de potencia mecánica es zinc, por tanto los alambres se clasifican en: Negro o Brillante (BIP): cuando no tiene ninguna clase de recubrimiento y Galvanizado (GIP): cuando se ha revestido de zinc, este proceso se realiza comúnmente por inmersión en baño de zinc fundido. El galvanizado produce una pérdida de la resistencia a la tensión del cable, la cual puede llegar a ser del 10%. La clasificación más importante es la que se le realiza al material de fabricación de los alambres. Esta clasificación se basa en la resistencia a la tensión del material de los alambres. La resistencia a la tensión de los alambres depende del contenido de carbono y de la cantidad de trabajo en frío (trefilación) que se le haya realizado. En esta clasificación se tienen 4 grados principales. En la Tabla 1 y la Fig. 9 se muestran los distintos grados de material del alambre.

Tabla 1. Clasificación del material de alambres, según su resistencia a la tensión nominal. ASM METALS HANDBOOK vol. 1.

CLASIFICACIÓN DEL MATERIAL DE ALAMBRES Nombre típico (Siglas en ingles) Resistencia a la tensión Nominal (MPa) GRADO 1 Acero Arado Suave(MPS) 1150-1350 GRADO 2 Acero Arado (PS) 1350-1720 GRADO 3 Acero Arado Mejorado(IPS) 1720-1930 GRADO 4 Acero Arado Extra Mejorado(EIPS) 1950-2300

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Fig. 9. Rangos de resistencia a la tensión de acuerdo al grado de acero arado.

Tomado de ASM METALS HANDBOOK vol. 1.

Esta resistencia a la tensión de los alambres depende también del diámetro final que tengan, es decir, de la cantidad de trabajo en frío que se le haya realizado, como ya se había mencionado antes. 3.1.6 Tipos de almas El alma es un elemento muy importante en el cable puesto que provee la estabilidad mecánica y dimensional del mismo al mantener las distancias entre los torones, de forma que no ocurran descompensaciones en la distribución de la carga. Las almas se construyen básicamente de fibra o de acero. A continuación, se muestran los tipos de almas usadas. Alma de Fibra Natural: se utiliza en aplicaciones donde el requerimiento de levantamiento de carga no es alto y donde el cable opere a temperaturas no muy elevadas. Alma de Fibra Sintética: el material más ampliamente utilizado es el polipropileno. Nuevamente, este tipo de almas no son ideales para entornos de calor excesivo. Tienen la ventaja de ser muy livianas, pero su resistencia al desgaste abrasivo es muy baja. Alma de Acero: el acero es el material preferido para aplicaciones en donde se requiere gran resistencia a la tensión o donde el cable se ve sometido a grandes presiones que puedan generar aplastamientos, también es ideal en ambientes de excesivo calor. El alma puede ser un torón individual o un cable independiente (IWRC Independent Wire Rope Core). Las almas de acero pueden llevar un recubrimiento plástico, que funciona como protección al desgaste con los torones exteriores del cable y a la corrosión.

21

3.1.7 Alargamiento Los cables presentan dos tipos de alargamiento. Alargamiento de puesta en servicio: es un alargamiento que ocurre debido al acomodamiento de los alambres y de los torones dentro del cable después de fabricado y ensamblado. Es un alargamiento permanente. Alargamiento elástico: es un alargamiento que ocurre durante la operación normal de un cable debido a acciones de carga que lo estiran, volviendo luego a recuperar su longitud original. 3.1.8 Resistencia del cable y factor de seguridad Un cable nuevo tiene cierto nivel de resistencia a la tensión, el cual va disminuyendo con el paso del tiempo debido a las cargas cíclicas de tensión-tensión y de flexión al paso por las poleas y los tambores. Un cable nunca va a tener vida infinita, debido a la fatiga inducida por los esfuerzos cíclicos. Por esta razón, es necesario el uso de un factor de seguridad alto en el diseño del cable, más aun cuando están en riesgo vidas de personas. Ahora entran en juego tres conceptos:

• Resistencia específica del material: es la resistencia a la tensión del material de fabricación de los alambres.

• Carga Mínima de Rotura: es la carga estática en tensión a la cual se fractura un cable nuevo.

• Carga de Trabajo: es la carga estática máxima en tensión permisible durante la operación del cable.

El factor de seguridad es la relación entre la Carga de Trabajo y la Carga Mínima de Rotura (CMR). En la Tabla 2 se presentan factores de seguridad típicos según la empresa EMCOCABLES.

Tabla 2. Factores de seguridad típicos. Tomado de EMCOCABLES [5].

Cables fijos. Cables de puentes colgantes 3 - 4

Cables carriles para teleféricos 3,5 - 5

Cables tractores para teleféricos 5 - 7

Cables de labor, elevacion y gruas 5 - 9

Cables para instalaciones importantes 8 - 12

Cables para transporte de personal 8 - 12

Cables para planos inclinados 5 - 8

Cables para pozos de extracción 8 - 12

Cables para ascensores 8 - 17

Cables para cabrestantes y trenajes 4 - 8

22

3.1.9 Presión cable-polea. Relación D/d Cuando el cable pasa por poleas o tambores se ve sometido a fuertes presiones. Los torones y alambres sufren una fuerte presión que genera aplastamientos y la tendencia de los alambres a reacomodarse, de modo que se pueden generar concentradores de esfuerzo. La presión que se ejerce entre cable-polea esta dada por la siguiente ecuación:

dDTP*

2= Ec. 2

En donde P = presión de apoyo; T = Tensión del cable; D = diámetro de la polea y d = diámetro del cable. De esta manera, para un diámetro dado del cable, un mayor valor de D disminuye la presión de apoyo.

Fig. 10. Paso del cable de diámetro d por polea de diámetro . Tomado de [11]

La relación D/d es un parámetro de diseño muy importante en un cable,

Tabla 3. Relaciones D/d. Tomado de [5].

D

mostrando que a una mayor relación D/d el cable va a tener una vida de servicio mayor (Shigley & Mischke, 2005). Dependiendo del tipo de operación, se tienen límites mínimos en las relaciones D/d. La Tabla 3 presenta valores D/d recomendados por la empresa EMCOCABLES.

Relación D/d

Construcción Cable su o Mínima jeto sólo a Recomendaddoblamiento

6x7 72 63 42 18x7

eale

ire

eale

arrington

51 54 40 6x17 S 56 49 33 6x19 Seale 51 45 30 6x21 Filler W 45 39 26 6x25 Filler Wire 41 36 24 6x31 38 33 22 8x19S 36 31 21 6x37 33 27 18 8x19 W 31 27 18 6x42 Tiller 20 18 12

omo se puede observar en la Tabla 3, para un 6x37 el valor mínimo es de C

18.

23

3.1.10 Resistencia a la abrasión y Resistencia a fatiga Un cable se ve sometido a desgaste abrasivo en sus alambres exteriores y también a fatiga debido a las cargas cíclicas que actúan sobre él. Sin embargo, no es posible que aumenten las dos al mismo tiempo y siempre que se aumenta una, disminuye la otra. Por ejemplo, la forma más efectiva de mejorar la resistencia a la fatiga (examinando sólo el cable y sin tener en cuenta la relación D/d) es aumentando la cantidad de alambres en el cable. Pero este aumento de cantidad de alambres supone una disminución del tamaño de los mismos, lo cual hace a los alambres exteriores mucho menos resistentes a la abrasión. En la Fig. 11 se presenta un esquema ilustrativo de esta situación.

Fig. 11. Relación entre resistencias a la abrasión y a la fatiga. Tomado de [11].

De esta manera, es muy importante encontrar un equilibrio entre resistencia a la abrasión y resistencia a la fatiga (flexibilidad), teniendo en cuenta el tipo de operación del cable, para poder así seleccionar la configuración más apropiada. 3.1.11 Dureza de alambres y poleas Como se vio en la sección 3.1.5, los alambres presentan resistencias a la tensión altísimas, con valores mínimos de 1000 MPa y pueden llegar a ser mayores de 2000 MPa, esto ocurre debido al contenido de carbono y a la cantidad de trabajo en frío sobre el material. Por esta razón, los alambres presentan durezas que varían entre 40-55 HRC. Las poleas deben tener una dureza menor a la del material del cable para que haya un buen deslizamiento entre las dos superficies. Las poleas de hierro y acero tienen durezas que varían en el rango de 17-35 HRC. 3.1.12 Almacenamiento y conservación de cables El cable debe almacenarse preferiblemente en un lugar seco. El cable debe colocarse en carretes de madera generalmente, de forma que nunca entre en contacto con tierra o arena, puesto que estas son causantes de desgaste abrasivo.

24

El cable debe estar engrasado a la hora de almacenarse. Deben evitarse lugares húmedos, expuestos al sol y al agua y, además, debe verificarse periódicamente el estado del cable con el fin de remover los óxidos que puedan presentarse. 3.1.13 Características que deben cumplir poleas y tambores En una polea es muy importante la selección del diámetro nominal de la misma como ya se mencionó. Pero también es importante que el tamaño de la garganta o ranura no sea tan pequeño como para que el cable sufra de un desgaste severo, ni tampoco tan grande con el fin de poder guiar el cable. Algo similar sucede con el tambor. En un tambor es muy importante seleccionar una distancia adecuada entre ranuras para que diferentes secciones de cable enrollado no se toquen, en lo posible.

(a) (b)

Fig. 12. (a) Dimensiones de gargantas de poleas y (b) de ranuras de tambores. Tomado de [11].

En general, el diámetro de la garganta de la polea debe ser de 1.1 veces el diámetro del cable y el ángulo de contacto debe estar entre 120º-150º. Así mismo para los tambores, la distancia entre ranuras debe ser de 1.15 veces el diámetro del cable y el ángulo de contacto debe estar entre 120º-150º (IPH Cables de acero, 2006). 3.1.14 Ángulo de desviación Dependiendo del tipo de tambor, el ángulo de desviación permisible entre el tambor y la primera polea puede ser de 1.5º-2º (Fig. 13).

25

Fig. 13. Ángulo de desviación permisible. Tomado de [11].

Un ángulo de desviación pequeño es importante para que el cable pueda enrollarse libremente sobre el tambor y para que no exista un rozamiento excesivo entre cable y polea. 3.1.15 Entorno de operación. Lubricación Durante el proceso de fabricación de alambres se pueden utilizar lubricantes en los procesos de trefilación, aunque en algunos procesos la cantidad de lubricante utilizado es pequeña. Dependiendo del tipo de ambiente en el que se encuentre operando el cable, se define el tipo de lubricante que se debe aplicar. Un cable debe estar sometido a una lubricación continua cada cierto tiempo durante toda su vida. Una buena lubricación es importantísima en el buen desempeño del cable ya que lo protege del desgaste adhesivo entre alambres y del desgaste abrasivo con objetos externos como poleas. La función de un lubricante es básicamente permitir el libre movimiento del cable sobre las poleas y de los alambres entre sí. Un cable sin lubricación fallará rápidamente debido a fatiga. El lubricante también protege el cable contra la corrosión. A la hora de seleccionar el lubricante hay que tener en cuenta factores como humedad, líquidos y gases que rodean el cable, temperaturas de servicio, etc. Para la correcta aplicación del lubricante, debe primero limpiarse el cable de partículas abrasivas y de restos de lubricantes aplicados en labores de mantenimiento anteriores. El cable debe lubricarse no sólo en su parte exterior, sino que también debe lubricarse el alma, esta operación se realiza desenrollando una longitud del cable de forma que se descubre el alma o cuando el cable pasa por poleas, debido a que ocurre una separación entre los torones exteriores y el alma. También deben lubricarse las poleas y los tambores periódicamente.

26

3.1.16 Inspección del cable. Criterios de rechazo La inspección debe realizarse periódicamente, dependiendo del tipo de operación, exposición a cargas de choque, vida útil que se espera del cable y del medio ambiente en que opere el mismo. De esta manera, debe revisarse periódicamente el cable de acuerdo a las recomendaciones establecidas por el fabricante. El cable debe retirarse en el momento en que el daño es grande y la probabilidad de falla es muy alta, teniendo en cuenta que un cable nunca va a tener vida infinita y que su resistencia a tensión y a fatiga se va reduciendo por causa del desgaste, corrosión, dobleces, etc. A la hora de realizar la inspección del cable se deben tener en cuenta los siguientes factores a observar:

• Ruptura de alambres: se debe revisar el número de alambres fracturados tanto en el exterior como en el interior (en lo posible). Se determina el número de alambres fracturados en cierta longitud del cable. Si existen zonas de corta longitud con muchos alambres fracturados, el cable se debe retirar.

• Reducción de diámetro: debe medirse el diámetro en varios puntos a lo largo del cable. Es permisible cierto valor de reducción en el diámetro del cable, cuando la reducción supere este valor, el cable se debe retirar.

• Destrenzado: el destrenzado se observa como un desenrollamiento de los torones y el juicio de este criterio depende en gran manera de la experiencia del inspector.

• Deformaciones: son aplastamientos causados por fuertes presiones sobre el cable. Cuando estas deformaciones causan una pérdida significativa en el diámetro exterior del cable, este se debe retirar.

• Señales de desgaste abrasivo y adhesivo: los alambres exteriores se ven sometidos a desgaste abrasivo, mientras que los internos se ven sometidos a desgaste adhesivo. La presencia excesiva de estos tipos de desgaste es evidencia de mala lubricación y técnicas deficientes de mantenimiento.

• Corrosión: es importante inspeccionar tanto la parte exterior como la interior del cable con el fin de encontrar indicios de corrosión, y si es posible, remover el óxido presente por medio de lubricación. La presencia excesiva de corrosión es evidencia de mala lubricación y un ambiente hostil.

Es muy difícil tomar una decisión sobre el retiro o permanencia del cable basándose en otros criterios diferentes al número de alambres fracturados en una longitud. Por esto, muchos códigos establecen que la decisión de

27

dejar o retirar el cable dependerá en gran medida de la experiencia del inspector (Chaplin, 1995). 3.1.17 Normas internacionales para uso de cables Existen numerosas normas internacionales para la operación y el mantenimiento de cables. Las más importantes son las siguientes:

• API SPEC 9 A Specification for Wire Rope, American Petroleum Institute, 1987

• RR W 410 E. Wire Rope and Strand, Federal Specification, 2002 • BS 6570. Code of practice for the selection, care and maintenance of

steel wire ropes, British Standards Institution, 1986 • ISO 4309. Cranes – wire ropes – code of practice for examination and

Discard, International Organisation for Standarisation, 1990 • MIL-DTL-83140.Wire rope: steel (stainless steel), preformed, non-

rotating, for aircraft rescue hoist and cargo handling (winching), 1969

3.2 MODOS DE FALLA TIPICOS EN CABLES En la operación de un cable se pueden presentar varios modos de falla, como son: fractura total del cable, fractura por fatiga (de varios alambres), corrosión generalizada y por picadura, desgaste adhesivo y abrasivo, deformación plástica excesiva (indentación), doblado, destrenzado, etc. (Espejo y Martínez, 2007). Un cable nunca va a presentar una vida de servicio infinita, por cuanto se encuentra expuesto a esfuerzos cíclicos que reducen su vida debido a fatiga. Los cables se encuentran sometidos primordialmente a esfuerzos cíclicos de tensión-tensión, en operaciones de cargue y descargue, y de flexión cuando pasa sobre poleas o tambores, siendo la flexión al pasar por las poleas y tambores la causa más influyente en la reducción de vida debida a fatiga (Ridge, et.al, 2001); además, el cable al pasar por una polea o tambor sufre una fuerte presión, dependiendo de la carga a la que se encuentre sometido y del diámetro de la polea. Esta presión generada en el cable conlleva a un continuo desgaste abrasivo de los alambres que están en contacto con la polea, así como también, incrementa el contacto entre los torones y los alambres internos del cable, produciéndose así desgaste adhesivo. Por esta razón, un criterio de diseño muy importante a tener en cuenta en un cable es la relación entre diámetro de la polea mas pequeña-diámetro nominal del cable. La fractura total de un cable supone imperfección en el material de fabricación, en el diseño, o bien, una deficiente operación sin mantenimiento del cable. En general, los cables fallan comúnmente por ruptura de alambres debido a fatiga. La vida a fatiga se ve reducida por la presencia de desgaste adhesivo, abrasivo y de corrosión, principalmente.

28

El cable también puede presentar dobleces o destrenzados tan severos que no le permitan seguir funcionando, esto ocurre generalmente por una mala operación. A continuación, se describen brevemente los modos de falla típicos en cables de acero. 3.2.1 Fractura total del cable La fractura del cuerpo del cable ocurre cuando la totalidad de los alambres en alguna sección del cable se han fracturado (Fig. 14). Esto puede ocurrir por dos condiciones:

I. Se sobrepasa la Carga Mínima de Rotura del cable durante su servicio. II. El cable ha reducido su resistencia a la tensión debido a fatiga, por lo

cual, este se fractura totalmente a una carga menor a la Carga Mínima de Rotura.

Fig. 14. Cable fracturado. Tomado de [21]

La primera condición supone imperfección en el material de fabricación, en el diseño, o bien, una muy mala operación. Mientras que la segunda condición supone un mantenimiento deficiente, por ejemplo, mala lubricación, falta de registro del número de alambres fracturados a lo largo del tiempo, etc.

Fig. 15. Fractura tipo copa cono. Tomado de [6].

En la Fig.15 se observa la deformación plástica que presentan los alambres fracturados por sobrecarga.

29

3.2.2 Ruptura de alambres por fatiga Durante la operación normal de un cable, las maniobras de cargue y descargue y el paso por las poleas y tambores generan sobre el cable cargas cíclicas de tensión-tensión y flexión, respectivamente. Estas cargas cíclicas junto con el desgaste de los alambres externos e internos y la corrosión, son factores que reducen notoriamente la vida del cable. De forma que los alambres se van fracturando de manera progresiva.

(a) (b) (c) Fig. 16. (a) Alambres fracturados por fatiga. (b) y (c) alambres fracturados por fatiga sin deformación plástica a 90º y 45º respectivamente. Tomado de [6].

Como se puede ver en la Fig. 16 (b) y (c), en los alambres la fractura por fatiga puede ocurrir a 45º ó 90º, sin presencia de deformación plástica apreciable a nivel macroscópico, es decir sin la formación de cuello cerca de la superficie de fractura. 3.2.3 Desgaste abrasivo y adhesivo El desgaste abrasivo se presenta básicamente en los alambres exteriores del cable, los cuales están expuestos a chocar o rozar con elementos externos como poleas, tambores, rodillos de apoyo u otra porción de cable. Este desgaste genera desprendimiento de material superficial del alambre, reduciéndose así el área efectiva que soporta la carga, de forma que se reduce la resistencia a la tensión y la resistencia a la fatiga (Kuruppu et. al., 2000 y De Silva et. al., 2002). El desgaste adhesivo se presenta principalmente en los alambres interiores del cable debido al rozamiento entre torones y alambres, causado por las altas presiones que se producen al deslizar por las poleas o tambores. Este tipo de desgaste también implica cierta pérdida de material superficial de los alambres, de manera que se reduce su vida a fatiga.

30

(a)

(b)

Fig. 17. (a) Desgaste abrasivo. (b) Desgaste adhesivo. Tomado de [15] y [6] respectivamente.

En la Fig. 17 se muestran los principales tipos de desgaste, señalados por las flechas. El desgaste pude generar zonas de alta concentración de tensiones, propiciando así la iniciación de grietas que posteriormente pueden fracturar el alambre. 3.2.4 Corrosión La corrosión en un cable puede ser generalizada o por picadura (Espejo y Martínez, 2007). La corrosión puede llegar a causar pérdidas considerables de material superficial en los alambres, de manera que es otro factor que influye en la reducción de la vida a fatiga del cable. Además, los desprendimientos de material pueden servir como concentradores de tensión y como posibles sitios de nucleación de grietas.

31

(a) (b)

Fig. 18. (a) Corrosión generalizada. (b) Corrosión por picadura. Tomado de [6]. En la Fig. 18 se muestran los principales tipos de corrosión, señalados por las flechas. Para proteger los cables contra la corrosión, algunos son galvanizados y otros presentan un plastificado o encauchetado que los protege del medio ambiente. Sin embargo, si el medio ambiente de operación del cable es corrosivo es preponderante la lubricación periódica del mismo para evitar al máximo el daño. 3.2.5 Deformaciones plásticas en alambres Las deformaciones plásticas ocurren cuando un alambre es presionado fuertemente por algún cuerpo, causando de esta manera una deformación plástica, como se observa en la Fig. 19.

(a) (b)

Fig. 19. (a) y (b) Deformación plástica en alambres. Tomado de [12] y [15] respectivamente.

Estas fuertes presiones y subsecuentes deformaciones son ocasionadas en los alambres exteriores por el contacto con elementos externos. Mientras

32

que en los alambres internos se produce por la presión que un alambre fracturado ejerce sobre otro.

a de una mala instalación en los amarres, poleas muy equeñas, estrechas o desalineadas, procedimientos pobres de enrollado y

desenrollado, etc.

desacomodado o 3.2.6 Doblado El doblado (Fig. 20) ocurre generalmente durante una deficiente operación del cable por causp

Fig. 20 Doblado de cables. Tomado de [6]

El doblado reduce la resistencia a la tensión y a la fatiga del cable.

. sto también puede ocurrir por una deficiente instalación y operación del

cable, siendo crítica la correcta instalación de los amarres fijos del cable.

3.2.7 Destrenzado de alambres y torones El destrenzado se presenta en cables cuando se ven sometidos a esfuerzos torsionantes desbalanceados, o cuando se torsionan en sentido contrario al sentido de torsión del cable. Esto puede suceder por un procedimiento de cableado y/o compactado deficiente durante el proceso de manufacturaE

33

Fig. 21. Destrenzado de torones. Tomado de [3].

CAPÍTULO 4

ANÁLISIS DE FALLA

4.1 RECOPILACIÓN DE ANTECEDENTES DE FALLA Como se mencionó anteriormente, el cable falló porque su alma presentó la fractura de 100 alambres en una longitud muy corta (10 cm. aprox.). Por lo

nto, en este trabajo se analizó una sección del alma de dicho cable, que del cable.

ose de esta manera excelente resistencia a n, tenacidad y resistencia a la corrosión. No se menciona ningún

as especificaciones técnicas del sincroelevador y del cable se muestran a continuació

nicas de sincroelevad 8]

s Técnicas de Sincroele

tafue lo que se recibió por parte del propietario 4.1.1 Proceso de fabricación del cable El cable es manufacturado por la empresa que fabrica todo el sistema del sincroelevador. Según el fabricante, los alambres son producidos por trefilación con un galvanizado en medio del proceso de trefilacion (drawn galvanized wires), consiguiéndtracciótratamiento térmico realizado. 4.1.2 Especificaciones técnicas del cable L

n en las Tablas 4 y 5:

Tabla 4. Especificaciones téc or. Tomado de [1

Característica vador

Dimensiones de la plataforma 117 x 22 metros Velocidad de la plataforma Número de montacargas

21 cm/s 28 (14 a cada lado)

Máxima carga de sincroelevador 3600 Ton

Máxim

Máxima carga de (1) montacargas 240 Ton

a profundidad vertical de la plataforma 11 metros

Tabla 5. Espe cas de cable. Tomado de [18]. cificaciones técni

Características Técnicas del cable

Diámetro nominal (1-3/8)" - 35 mm.

Construcción 6x36 IWRC (EAlma plastific

nrollamiento Lang a la derecha y a la izquierda). ada.

Carga Mínima de Rotura 211,000 lb. – 95,700 kgf

34

Diámetro mínimo de polea 31" – 78 cm.

4.1.3 Especificaciones de operación y mantenimiento El tambor de enrollamiento está diseñado con tal longitud, que el cable sólo alcanza a dar una vuelta sobre él. Un extremo del cable va fijado a la carcaza del montacargas (en tierra) por medio de una conexión con pin y el

del cable. Sin lubricación, un cable se eteriorará, pero con una buena aplicación periódica de lubricante se

A continuació gerido por el fabricante del cable

miento de cable. To

F

otro extremo va sujeto al tambor por medio de un conjunto de abrazaderas. El fabricante es el encargado de montar el cable por primera vez. La corrosión es uno de los factores que más afecta el buen desempeño del cable. Por esto, es muy importante el uso de un lubricante adecuado a lo largo de la vida de serviciodpuede obtener una larga vida.

n, se presenta el programa de mantenimiento su (Tabla 6).

Tabla 6. Programa de manteni mado de [18].

Procedimiento recuencia

1 Revisar estado de lubricación de cable Cada 4 m emanal aniobras o s

2 oleas Cada 4 maniobras o semanal 3 o-Destructiva

o deformados

es) c Semestral d tado de lubricación al interior del cable Semestral

4 tivos (Ensayo de tensión a muestra de

5 Cables almacenados

Revisar estado de lubricación de rodamientos de pInspección N

a Observar alambres fracturados Semestral b Medir el diámetro de cable (al menos en 4 lugares

diferentSemestral

Revisar evidencia de corrosion Revisar el es(alma) Ensayos destrucdos cables)

Anual

a Mover carretes Trimestral b Relubricar Anual

Las operaciones de mantenimiento anteriores son las que obligatoriamente

demás del programa de mantenimiento, el fabricante proporcionó algunos riterios de rechazo para sustituir el cable, que se muestran en la Tabla 7.

debería hacer la empresa dueña del cable. Ac

35

erios de rechazo y sustitución. Tomado de [18]. Puntaje asignado

Tabla 7. Crit

CRITERIOS DE RECHAZO 0 25 50 75 100 CRITERIO A-No. de alambres fracturados

En todo el cable De 1-9 De 10-19

bres deformados canos

O C-Reducción del diámetro Diámetro mínimo 35 mm 34 mm 33 mm 32 mm

D - Corrosión Interna - -

Externa - óxido o

manchas Rugoso Picadura Erosión

0 - 20

En una longitud de 200mm de cable 0 - - - 2 En una longitud de 1m del mismotorón

0 - 2 3 4

CRITERIO B-Alam

Número de alambres cer 0 1 2 3 4

CRITERI 34,5 mm

CRITERIO -

-

-

superficiales al tocar y óxido Picaduras

te los tres primeros años de servicio fue muy

lubricante nominado Beslux KBL. Estos lubricantes cumplen con las pecificaciones dadas por la Federal Specification RR W 410.

ometría del alma con sus dimensiones en milímetros y la vista e la sección transversal del alma original en donde se puede ver el lastificado.

Si durante una revisión, la suma total del puntaje es igual o superior a cien, el cable debe ser retirado. Según los registros del sincroelevador, el cable operó durante 9 años, tiempo en el cual se realizaron alrededor de 1700 ciclos. El mantenimiento ealizado a los cables duranr

precario, puesto que el funcionamiento de todo el sincroelevador estaba a cargo de una sola persona. El fabricante recomendó para los cables el lubricante Mobilarma 798, el cual fue utilizado durante los 6 primeros años de servicio. Posterior a esto,

or sugerencia del fabricante, se empezó a utilizar otropdees 4.1.4 Obtención de la geometría del alma El alma obtenida corresponde a una geometría 7x7, es decir, 7 torones (1 central y 6 exteriores) cada uno con 7 alambres. A continuación, se

uestra la gemdp

36

(a) (b)

Figura 22. a) Geometría del alma. b) Sección transversal del alma.

De la Fig. 22, se observa que el diámetro de alambre es de 1.8 mm. y el

iámetro del alma es de 16 mm. aproximadamente.

.1.5 Inspección visual y Registro fotográfico del alma

zonas eron llamadas “Zonas de Falla” y en esa forma se referirán de aquí en

adelante. En la Fig. 23 se presenta el registro fotográfico preliminar.

d 4 Se realizó la inspección visual y el registro fotográfico del alma en el estado en el cual se recibió. Primero, se realizó una limpieza de la región de falla, para esto se utilizó thinner con jabón y posteriormente alcohol. En la inspección, se pudo observar una gran cantidad de alambres fracturados en una distancia de tan sólo 10 cm., esta distancia se designará de aquí en adelante como “Región de Falla”. También se observaron algunas señales de desgaste que posteriormente serán analizadas. No se observaron señales de doblado ni destrenzado. En la región de falla se distinguieron 5 zonas en las cuales se encontraron alambres fracturados, estasfu

37

ZONA 1

ZONA 5

ZONA 3

ZONA 2

ZONA 4

Fig. 23. Zonas de falla encontradas en la región de interés.

Estas zonas de falla serán analizadas más detalladamente en la sección 4.3.6.1.

38

4.2 MATERIALES Y MÉTODOS Para conocer la composición química del material de los alambres, se realizó un análisis de composición química por el método de Fluorescencia de Rayos X en un Espectrómetro secuencial marca Phillips modelo PW2440 y se complementó con un análisis de composición química por Microsonda EDX en un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) FEI QUANTA 200, esto con el fin de determinar la cantidad de carbono y otros elementos presentes. Se realizaron microscopías ópticas sobre los alambres para determinar su microestructura, para esto se utilizó un Microscopio Metallux II. Las muestras se prepararon siguiendo la norma ASTM E3. Las superficies a observar fueron pulidas al espejo, primero con lijas y luego sobre paños con alúmina de 0.3 y 0.05 µm. Posteriormente, fueron atacadas con Nital 3%. También se realizaron observaciones de la microestructura de los alambres en un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) FEI QUANTA 200. Se realizaron ensayos de microdureza sobre la superficie transversal y longitudinal de los alambres, esto se realizó en un Microdurómetro Row-Rathenaw con carga de 5kg durante 30 segundos, siguiendo la norma ASTM E 384. A una muestra de 3 alambres de 18 cm. de longitud y 1.8 mm de diámetro se le realizó un ensayo de tensión en una Maquina de Ensayos Universal INSTRON 5586, de acuerdo a la norma ASTM E8. Los análisis nombrados anteriormente se realizaron con el objeto de caracterizar el material de fabricación de los alambres. Para observar la superficie deteriorada de los alambres, se realizaron una serie de observaciones en un estereoscopio Olympus de 40X. También se realizaron observaciones en un Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) FEI QUANTA 200 sobre la superficie deteriorada.

39

4.3 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.3.1 Cálculos teóricos de esfuerzo sobre el cable Para la realización de los cálculos teóricos se tienen en cuenta los siguientes datos.

kN 142.8 28*8 ton3600 permisible Trabajo demáxima Carga

kN 887.8 servicio de años 9 de despues Rotura dema Carga Míni kN 938.8 diseño de Rotura dema Carga Míni

mm. 35 cable del Diámetrocm. 78.74 puequeña máspolea la de Diámetro

===

====

====

CT

CMRaCMRddD

Cabe aclarar que el valor de CMRa corresponde a un ensayo de tensión realizado a una muestra de dos regiones sanas (en buen estado) del cable que falló. De esta manera, se tienen los factores de seguridad.

6.21 retiro del momento al actual, seguridad deFactor . 6.57 diseño de seguridad deFactor .

====

SaFSdF

En Shigley & Mischke, 2005, se encontró una aproximación para al área de metal neta en un cable 6 x 37. Allí sugieren un área de metal Am = 0.4d 2, en donde d = diámetro nominal del cable. Con esta aproximación, se procede a calcular el esfuerzo normal generado por la tensión del cable.

MPaACT

m

290==σ

Aunque el esfuerzo calculado anteriormente parece ser excesivamente grande para un acero, se debe recordar que el F.Sd es de 6.57, de manera que en condiciones normales de operación el cable no debería fallar por carga estática. Así mismo, más adelante se verá que la resistencia a la tensión y el esfuerzo de cedencia de un alambre individual son muy grandes, 2057 MPa y 1590 MPa respectivamente. Se calcula la relación D/d y la presión de cable-polea, por medio de la Ec. 2 en 3.1.9.

MPadDCTP

dD

36.10*

*25.22/

==

=

40

Como se puede observar, el esfuerzo generado por la presión entre cable-polea es muy bajo. A su vez, la CT nunca supera el valor de la CMR. De esta manera, se puede concluir que el cable sufrió una reducción en su resistencia a la tensión debida a fatiga. También se realizo un cálculo de fatiga para estimar el número de ciclos que puede operar un alambre, por medio de la Ecuación de Paris que modela el crecimiento de grieta:

nKA

dNda )(∆= Ec.3

En la ecuación (3), da significa la variación en el tamaño de grieta; dN es la variación en el número de ciclos; A y n son constantes del material y ∆K es la variación del factor de intensidad del esfuerzo. Tomándose los valores de las constantes (A,n) para aceros con estructura del tipo ferrito-perlitico recomendados por Shigley (2005), se obtiene:

( )( )[ ]3

/1028.6 12

=×=

−−

nmMPaciclomA

n

Resolviendo la ecuación (3) para N se obtiene:

( ) ( )∫∆

=crita

ann

a

daNmin

1

πσ Ec.4 La variación del factor de intensidad del esfuerzo ∆K se determina mediante la siguiente ecuación:

aK πσ∆=∆ Ec.5 En esta ecuación ∆σ es la variación en el esfuerzo y tiene un valor de 300 MPa (este valor se obtiene de los registros de operación del cable); a es el tamaño de grieta. A su vez, se necesita identificar el tamaño mínimo y crítico de grieta para resolver la ecuación (4). El tamaño mínimo de grieta se calculó con base en la relación (D/100), en donde D es el diámetro del alambre; de esta manera amin= 0.018 mm. El tamaño crítico de grieta que puede soportar un alambre se calcula mediante la ecuación:

41

2

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

πσ perm

ICcrit

Ka Ec.6

Resolviendo la ecuación (6) se obtiene acrit= 0.045 mm. El valor de la tenacidad a la fractura KIC típico para un acero AISI 1070 es de 50 MPa(m1/2); σperm es el esfuerzo máximo al que opera el alambre y tiene un valor de 300 MPa. De esta forma se desarrolla la ecuación (4), obteniéndose un número de ciclos N cercano a 1.000.000 de ciclos. De esta manera, los alambres fallaron (en 1700 ciclos) antes del número de ciclos esperado (1.000.000 de ciclos). 4.3.2 Composición química El análisis de composición química presentó los siguientes resultados en porcentaje de peso (Tabla 8).

Tabla 8. Composición química del material de los alambres, porcentaje en peso.

Fe C Mn P S Si Al Co Cr

98.2 0.7 0.8 0.015 0.06 0.3 0.13 0.012 0.04

De esta manera, se tiene que el material de fabricación de los alambres se aproxima a un acero AISI 1070, el cual tiene la presencia de otros aleantes como Al, Cr y Co. Para corroborar la hipótesis anterior, se realizó una comparación con la composición química de un acero AISI 1070 registrado en la base de datos Matweb. En la Tabla 9 se presenta la composición química utilizada para la comparación.

Tabla 9. Composición química del un acero AISI 1070, porcentaje en peso. Tomado de [13]. Fe C Mn P S

98,26-98,75 0,65-0,75 0,6-0,9 ≤0,04 ≤0,05

En la tabla mostrada anteriormente se puede observar la similitud con la composición obtenida del material original, especialmente concuerda en las composiciones del Fe, C, Mn, P y S. 4.3.3 Ensayo de Microdureza La microdureza del material se realizó a lo largo de las superficies transversal y longitudinal de los alambres, para esto se tomaron un total de 11 medidas en cada una de las caras. En la Tabla 10 se muestran los resultados obtenidos.

42

Tabla 10. Dureza del material de los alambres DUREZAS VICKERS (HV, 5 kg. de carga) Transversal Longitudinal 593 558 549 549 575 549 494 575 575 532 566 575 466 532 558 558 524 532 549 540 412 492 Promedio 533 545 Desv.Est 55 23

En la Fig. 24 se observan las superficies transversal y longitudinal sobre las que se tomaron las microdurezas.

(a) (b)

Fig. 24 (a) Superficie transversal. (b) Superficie longitudinal

En general, se observa un promedio de dureza entre 533-545 Vickers, que corresponde aproximadamente a 50 HRC, lo cual muestra un alambre extremadamente duro. Esto se debe principalmente al contenido de carbono presente y a la fuerte cantidad de trabajo en frío a que se ven sometidos los alambres durante el proceso de trefilación continua hasta obtener el diámetro de alambre requerido. 4.3.4 Microestructura Se realizaron micrografías sobre las superficies transversal y longitudinal del alambre. Estas micrografías fueron comparadas con las encontradas en artículos y libros de la bibliografía.

43

(a) (b)

Fig. 25. Comparación entre la micrografía realizada, Nital 3% (a) y la obtenida de Ref. [21] (b). Ambas fotos a 100x

La micrografía de la Fig. 25 (a) corresponde a la cara transversal de un alambre en donde se puede observar una microestructura de perlita (oscura) embebida en una matriz de ferrita (blanco), la cual corresponde al acero típicamente utilizado en la fabricación de cables (Torkar y Arzensek, 2002), aquí se puede observar la capa de galvanizado señalada con la flecha. La Fig. 25 (b) corresponde a una micrografía encontrada en Torkar y Arzensek (2002). Se puede notar la similitud entre las dos micrografías.

(a) (b)

Fig. 26. (a) Micrografía realizada 200x y (b) Micrografía de la sección longitudinal de un alambre de acero 1070, 100X (Tomado de ASM METALS HANDBOOK vol. 9). La micrografía de Fig. 26 (a) corresponde a la cara longitudinal de un alambre en donde se puede observar una microestructura de granos de perlita alargados (oscuro) y ferrita (blanco). La Fig. 26 (b) corresponde a una micrografía encontrada en los ASM METALS HANDBOOK correspondiente a un acero AISI 1070 de un alambre trefilado con apariencia de granos de perlita deformados en la dirección del trefilado. Se puede notar la similitud de estas dos micrografías.

44

(a) (b)

Fig. 27. (a) Micrografía a 6000x y (b) Micrografía de la sección transversal de un alambre trefilado 200X (Tomado de ASM METALS HANDBOOK vol. 9). En la Fig.27, la parte (a) corresponde a la microestructura transversal de un alambre tomada con un microscopio electrónico de barrido a 6000X, allí se observa la estructura de perlita deformada (oscuro) embebida en una matriz ferrítica (blanco) con la presencia de algunos carburos señalados con las flechas. En la parte (b) se observa una estructura encontrada en los ASM METALS HANDBOOK que corresponde a un alambre trefilado, este tipo de microestructura se designa como grano enredado o enmarañado (curly grain). Nótese la similitud entre ambas microestructuras. 4.3.5 Ensayo de tensión Para realizar el ensayo de tensión se seleccionó el alambre central del torón del centro. Se eligió este alambre por que es el único de todos los alambres que se encuentra totalmente recto y al mismo tiempo presenta menos desgaste, como se puede observar en la Fig. 28.

Fig. 28. Alambre seleccionado para ensayo de tensión.

45

Posteriormente, el alambre se dividió en tres partes iguales, cada una de 18 cm. Sólo fue posible cortar 3 pedazos debido a la longitud del alma obtenida. Los resultados del ensayo de tensión realizados a los tres alambres de 1.8 mm de diámetro cada uno, se presentan en la Tabla 11.

Tabla 11. Resultados del ensayo de tensión de una muestra de tres alambres

ALAMBRE Carga de

Ruptura (kN) Resistencia a la

tensión (MPa) Esfuerzo de

fluencia (MPa) %Deformación

1 5,226 2054 1693 2,292

2 5,268 2070 1546 2,292

3 5,209 2047 1532 2,125

PROMEDIO 5,234 2057 1590 2,236

Desv. Est. 0,02 9,63 72,82 0,08

Aquí se observa que la resistencia a la tensión en promedio es de 2057 MPa. Este resultado tan elevado de resistencia concuerda con la dureza tan alta obtenida anteriormente. En la Fig. 29 se muestra una gráfica en donde se relaciona la resistencia a la tensión con el grado de acero arado y el diámetro del alambre.

Fig. 29. Rangos de resistencia a la tensión de acuerdo al grado de acero arado. Tomado de ASM

METALS HANDBOOK vol. 1.

46

En esta figura se observa que para un diámetro de alambre de 1.8 mm y una resistencia a la tensión de 2057 MPa el material del alambre corresponde al rango designado en la figura como GRADO 4: Acero arado extramejorado (extra improved plow steel, EIPS), como se había mencionado antes en 3.1.5. Hasta este punto, ya se ha realizado la caracterización del material de los alambres, por medio de los siguientes ensayos:

1. Análisis de composición química. 2. Toma de microdurezas en caras transversal y longitudinal. 3. Micrografías en microscopio óptico y microscopio electrónico de

barrido (SEM) y, 4. Ensayo de tensión.

Ahora, teniendo en cuenta los resultados obtenidos de estas 4 pruebas, se puede designar el material de fabricación de los alambres como un acero AISI 1070 Grado 4: Acero Arado Extra Mejorado (EIPS, Extra Improved Plow Steel) con una resistencia de 2000 MPa. 4.3.6 Fractografía Se realizó un análisis fractográfico a la región de falla, en donde se distinguieron 5 zonas de falla ilustradas en 4.1.5. Luego fueron tomadas fractografías de los alambres individuales por medio de microscopía óptica y microscopía electrónica de barrido SEM. 4.3.6.1 Fractografías de las zonas A continuación, se presentan las zonas de falla encontradas en el cable. En todas las zonas se presenta ruptura de alambres y en algunas se presenta ruptura de torón, como se observará más adelante.

47

(a)

(b) (c)

Fig. 30. Zonas 1 y 5 (a). Zona 1, 10X (b). Zona 5,10X (c).

ZONA 5 ZONA 1

ZONA 3

(a)

(b)

Fig. 31. Zona 3 (a). Zona 3, 10X (b)

48

ZONA 4 ZONA 2

(a)

(b) (c)

Fig. 31. Zonas 2 y 4 (a). Zona 2, 10X (b). Zona 4, 10X (c).

En general, las zonas que presentaban un mayor número de alambres fracturados son las zonas 1, 3 y 2, en orden de mayor a menor número de alambres fracturados, respectivamente. En las zonas 4 y 5 se encontró una cantidad mucho menor de alambres fracturados. A su vez, en las zonas 1,3 y 2 se presenta rompimiento de torón exterior. A continuación, se muestran fractografías a mayores aumentos de todas las zonas, evidenciándose más notoriamente las fracturas a 45°, las fracturas a 90° y las señales de desgaste.

49

Alambres fracturados a 45º

(a) (b)

(c)

Fig. 33. Fracturas a 45°. a) corresponde a la zona 1, 20X. b) corresponde a la zona 2, 20X. c)

corresponde a la zona 4, 18X.

50


(a) (b)

(c)

Fig. 34. Fracturas a 90°. a) corresponde a la zona 1, 18X. b) corresponde a la zona 2, 18X.c)

corresponde a la zona 3, 20X.

51

Alambres con señales de desgaste

(a) (b)

(c)

Fig. 35. Desgaste adhesivo. a) corresponde a la zona 3, 20X. b) corresponde a la zona 5, 18X. c)

corresponde a la zona 5, 20X

Estos tipos de fractura y desgaste serán detalladamente analizados en las secciones siguientes.

52

4.3.6.2 Fractografías de alambres individuales Posterior a todo el registro fractográfico del alma tal como se encontraba al momento de su retiro, se procedió a desalambrar (desenrollar para extraer los alambres de la zona de falla) el alma para poder seleccionar los alambres más representativos de las fracturas a 45° y 90°, y los alambres que evidenciaran señales de desgaste, deformación plástica y corrosión. En total se obtuvieron 89 alambres fracturados a 45° y 11 alambres fracturados a 90°, así como una gran cantidad de alambres (dentro y fuera de la región de falla) presentaban evidencias de desgaste y deformaciones plásticas. El objetivo principal del análisis fractográfico es determinar el modo de falla de los alambres: fractura frágil, fractura dúctil, fractura por fatiga, etc. A continuación, se presentan algunas de las fractografías más representativas. Alambres fracturados a 45º

(a) (b)

53

(c) (d)

(e) (f)

(g)

Fig. 36 Fracturas a 45°. De (a)-(e) se muestran varias superficies fracturadas a 45 °, 33X. En (f) y (g) se muestran dos vistas laterales, en las cuales se puede notar que los alambres no presentan deformación plástica, este rasgo se encontró en todos los alambres fracturados a 45°, 20X.

54

En la Fig. 36 se observan las superficies de varios de los alambres que fracturaron a 45°. En las fotos (f) y (g) se puede notar que los alambres que presentaron una falla a 45° no presentaron una deformación plástica apreciable cerca de la superficie de fractura. En las fractografías restantes, de (a)-(e), se pueden apreciar algunas grietas que se encuentran señaladas por las flechas. La superficie de fractura es de aspecto plano cizallante.

Fig. 37. Alambre fracturado a 45°, 33X.

En la Fig. 37 se puede apreciar una zona de inicio y propagación de grietas por fatiga (enmarcada en el óvalo) y al mismo tiempo la zona de fractura súbita final (señalada con la flecha). Esta fractura se debe a la acción combinada de esfuerzos de flexión y una fuerte presión cuando el cable pasa por una de las poleas, generándose así cargas cíclicas que someten el cable a fatiga produciendo la fractura de los alambres con el paso del tiempo. Este alambre corresponde al que se observó en el microscopio electrónico de barrido SEM.

55


(a) (b)

(c) (d)

(e)

Fig. 38. Fracturas a 90°. De (a)-(c) se muestran varias superficies fracturadas a 90 ° 33X. En (d) y (e)

se muestran dos vistas laterales, en las cuales se puede notar que los alambres presentan .cierta deformación plástica, este rasgo se encontró en todos los alambres fracturados a .90°, 20X.

56

En la Fig. 38 se observan las superficies de varios de los alambres que fallaron a 90°. En las fotos (d) y (e) se puede notar que los alambres presentaron cierta deformación plástica. Este tipo de fractura, en el que se presenta deformación plástica cerca de la superficie de fractura, es típicamente debida a sobrecarga por tensión. En estas fotos también se pueden apreciar algunos rastros de desgaste de la superficie por desprendimiento de material, los cuales se encuentran encerrados en óvalos. En las fractografías restantes, de (a)-(c), se pueden apreciar algunas grietas en la parte central de los alambres que se encuentran señaladas por las flechas. La superficie de fractura es de un aspecto completamente plano, como se observa en las fotos (b) y (c), pero presenta una zona más notoria de separación en (a).

Fig. 39. Alambre fracturado a 90°, 33X.

En la Fig. 39 se muestra la superficie de fractura de un alambre que se fracturó a 90°, allí se pueden apreciar el aspecto fibroso y una grieta central, los cuales son rasgos característicos de fracturas de tipo dúctil. Este alambre corresponde al que se analizó en el microscopio electrónico de barrido SEM.

57

(a) (b)

(c)

Fig 40 Desgaste adhesivo. (a) y (b) Señales de desgaste adhesivo en alambre de uno de los torones

exteriores, con apariencia de hendiduras planas. (c) Desprendimiento de material superficial.

En la Fig. 40 (a) y (b) se pueden observar las señales de un desgaste adhesivo presentes en uno de los alambres exteriores del alma. Estas señales o hendiduras planas en el material fueron observadas en la gran mayoría de los alambres. Se encontraron estas señales en los alambres externos del alma, pero también se observaron en los alambres internos, siendo las señales más evidentes en los primeros. Este tipo de desgaste se produce por el deslizamiento que ocurre entre torones y alambres internos del cable, sobretodo cuando este se ve sometido a una presión al paso por las poleas y tambores, lo cual conlleva a la pérdida de material en las superficies de dichos alambres. Este tipo de desgaste, aunque ocurre durante la operación normal del cable, se ve favorecido también por la ausencia o falta de lubricación. Esta pérdida de material de la superficie de los alambres reduce el área transversal de los mismos, lo cual conlleva a un aumento en el esfuerzo al que se someten los alambres en las zonas que tienen este tipo de desgaste, lo cual a su vez, reduce la resistencia última a la tensión y la resistencia a la fatiga que tienen los alambres originalmente. El desprendimiento de material observado en (c) ocurre por el rozamiento entre alambres y tambien puede ser favorecido por la corrosión.

58

(a) (b)

Fig. 41. (a) Indentación ó severa deformación plástica en alambre de torón exterior, 20X. (b)

Aumento de (a), 40X.

En la Fig. 41 se puede observar la severa deformación plástica que sufrió uno de los alambres exteriores del alma. Estas deformaciones fueron observadas en varios alambres exteriores, no sólo en la región de falla, sino también en las partes donde no había alambres fracturados. Esta deformación plástica, también conocida como indentación (Espejo y Martínez, 2007), se debe a la fuerte presión que se ejerce sobre el cable al pasar por algún elemento como polea o tambor. Esta presión también se ejerce entre el alma y los torones exteriores del cable. En nuestro caso, la presión más grande ocurre cuando el cable pasa por la polea más pequeña, la cual tiene un diámetro de 787 mm, lo cual da como resultado una relación diámetro de polea-diámetro de cable D/d = 22.5. Estas deformaciones plásticas pueden funcionar como concentradores de esfuerzo y promover la nucleación de grietas superficiales (Espejo y Martínez, 2007), de forma que se ve afectada la resistencia a la fatiga de los alambres. Las deformaciones plásticas como las observadas en la Fig. 41 ocurren por las presiones que alambres desacomodados o fracturados de los torones exteriores del cable ejercen sobre los alambres de la parte exterior del alma al paso por las poleas.

59

Fig. 42. (a) Corrosión por picadura, 20X. (b) Corrosión por picadura, 40X

En la Fig. 42 se pueden observar los rastros de corrosión por picadura sobre la superficie del material, allí se pueden notar dos puntos específicos donde se hace muy notorio el picado por corrosión. Este alambre fue observado en el estado en el que se recibió. Sin embargo, estos rasgos sólo se observaron en algunos sitios a lo largo del alma, por esta razón se descartó la idea de que el alma presentara corrosión generalizada. Las zonas en donde se observó el picado de los alambres se encontraban muy desgastadas, y en general se observó más picado en los alambres exteriores del alma que en los interiores. Por tanto, la corrosión por picadura se presentaba preferiblemente en lugares en donde la capa de galvanizado se había debilitado por causa del desgaste superficial entre alambres. 4.3.6.3 Fractografías de alambres individuales en SEM Las superficies de fractura contienen mucha de la información necesaria para establecer el modo de falla y sus causas. El análisis de las superficies de fractura por medio de microscopía electrónica tiene dos objetivos primordiales, como son:

• Establecer el aspecto microscópico de las grietas: Marcas de clivaje, Microcavidades (dimples), Estrias, etc.

• Identificar el mecanismo de propagación de las grietas: Intergranular a través de los bordes de grano, o transgranular atravesando los granos y sus bordes.

A continuación, se mostrará la observación de un alambre fracturado a 45º, un alambre fracturado a 90º, un alambre con señales de desgaste y un alambre con deformación plástica.

60

Alambre fracturado a 45º

Fig. 43. Alambre fracturado a 45º, 100X.

En la Fig. 43 se puede observar que no ocurrió deformación plástica cerca de la superficie de fractura, lo cual es característic de las fracturas debidas a fatiga. Este alambre corresponde al mismo de la Fig. 37.

Fig. 44. Superfície de fractura, 125X. Vista de planta.

La Fig. 44 corresponde a una vista de planta de la superficie de fractura, aquí se puede apreciar mejor la zona de inicio de la falla (encerrada en óvalo pequeño) y la zona de la falla final (encerrada en óvalo grande). En general, en toda la superficie de fractura se encuentra la presencia de microcavidades (dimples) junto con marcas de clivaje, este patrón puede

61

ocurrir en las fallas por fatiga. Sin embargo, en la zona de fractura final se encuentra un mayor número de grietas por clivaje; mientras que en la zona de inicio de falla predominan las microcavidades, como se mostrará a continuación.

(a) (b)

Fig. 45. (a) Microcavidades (dimples) en la zona de inicio de la falla, 3000X. (b) Propagación de

grietas por clivaje de forma intergranular predominantemente, 6000X.

En la Fig. 45 (a) se pueden observar las microcavidades en la zona de inicio de la fractura (señalados con flechas) y en la Fig. 45 (b) se observan las marcas de clivaje con aspecto predominantemente intergranular (señalados con flecha roja), aunque se nota cierto patrón de propagación transgranular (señalados con flecha amarilla). Las fractografías de la Fig. 44 corresponden a los rectángulos en amarillo señalados en la Fig. 44. Si bien en el alambre observado anteriormente no se evidencian las estrias típicas de falla por fatiga, de todos modos se concluye que la fractura ocurrió debido a fatiga. Para corroborar esta hipótesis se listan los siguientes argumentos:

• El cable siempre estuvo operando a esfuerzos menores al esfuerzo de fluencia.

• Los alambres fallados a 45º no presentan deformación plástica cerca de la superficie de fractura.

• Esta fractura se debe a la acción combinada de esfuerzos de flexión y una fuerte presión cuando el cable pasa por una de las poleas, generándose así cargas cíclicas que someten el cable a fatiga produciendo la fractura de los alambres con el paso del tiempo.

• En aceros de alta resistencia resulta difícil la presencia de estrias y eso depende del tipo de carga, el ambiente, etc (ASM Metals Handbook v. 12, 1990).

62

• Las estrias no son observadas en todas las tasas de propagación de

grietas. Cuando se tiene una gran concentración del esfuerzo, las fracturas por fatiga exhiben coalescencia de microcavidades o marcas de clivaje, dependiendo de la aleación (ASM Metals Handbook v. 12, 1990). En estos alambres es notoria la concentración de esfuerzo debido a las marcas de trefilado, entalles superficiales por desgaste y corrosión por picadura.

Alambre fracturado a 90º

Fig. 46. Alambre fracturado a 90º, 100X.

En la Fig. 46 se observa una deformación plástica cerca de la superficie de fractura, característica típica de las fracturas debidas a sobrecarga. Si bien la deformación no es muy grande, cabe advertir que en el ensayo de tensión realizado en 4.3.5, el material del alambre presentó una resistencia muy elevada superior a los 2000 MPa y una elongación tan sólo del 2%, de manera que puede esperarse una mínima deformación plástica en una falla por sobrecarga. Este alambre corresponde al mismo de la Fig. 39.

63

(a) (b)

Fig. 47. (a) Superficie de fractura, vista de planta 200X. (b) Aumento de rectángulo señalado, 800X

En la Fig. 47 (a) se observa la superficie de fractura de aspecto fibroso, característico de las fracturas dúctiles por sobrecarga. En la Fig. 47 (b) se observa un aumento de (a), apreciándose el aspecto escalonado de la fractura debido a los esfuerzos cortantes que se generan durante la sobrecarga del alambre. También se evidencia que los dimples o microcavidades (señalados con óvalos) son del tipo equiaxial, es decir, que no están orientados en cierta dirección, demostrando que el tipo de carga que los produjo es una carga axial de tensión. El mecanismo de propagación de las grietas es transgranular predominantemente. En la Fig. 47 (a) es muy notoria la presencia de una grieta central con zonas de desprendimiento de material cerca de los bordes, lo cual es típico de las fallas por sobrecarga (ASM Metals Handbook v. 12, 1990). Esta grieta central avanza hacia la superficie del alambre en todas las direcciones, como se puede observar por las flechas amarillas. La deformación plástica de los alambres es pequeña debido a dos factores principalmente:

• El material del alambre tiene una gran resistencia y su ductilidad (2% en elongación) es baja.

• La presencia de grietas superficiales promovidas por desgaste y corrosión disminuye el “carácter dúctil” de la fractura por sobrecarga, promoviendo poca deformación plástica (ASM Metals Handbook v. 12, 1990).

64

Desgaste adhesivo El desgaste adhesivo se presenta como superficies aplanadas debido al rozamiento ocurrido entre alambres cuando el cable es tensionado y sometido a pasar por una polea, lo cual supone un desprendimiento de material.

(a)

(b) (c)

Fig. 48. (a) Marca de desgaste adhesivo, 75X. (b) y (c) Aumentos de rectángulos señalados, 500X y 800X respectivamente

En la Fig. 48 se observa el desgaste adhesivo. En (a) se observa la superficie aplanada. En (b) y (c) se observa la frontera que marca el inicio de la achatadura, aquí es muy notorio que en la zona desgastada se pierden las marcas de trefilado (drawing marks) señaladas en óvalo, que tiene el alambre en la parte no desgastada. Esto ocurre debido al rozamiento y a la fuerte presión entre alambres, lo que causa un desprendimiento de material y formación de una superficie plana. Este alambre corresponde al mismo de la Fig. 40 (a) y (b).

65

Deformación plástica A continuación, se observa la deformación plástica producida en un alambre exterior del alma, el cual estuvo en contacto con los torones exteriores del cable.

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 49. (a) Deformación plástica (indentación), 50X. (b) Aumento de (a). (c) Marcas de trefilado toman la forma curva de la indentación, 400X y (d) Zona donde se pierden las marcas de

…. trefilado debido a la fuerte presión entre torones.

A diferencia del desgaste adhesivo observado en la Fig. 48, aquí se puede ver en Fig. 49 (c) que las marcas de trefilado no se pierden totalmente, sino que toman la forma de hendidura o deformación encerrada en óvalo en (a). En (d) se aprecia una zona de fuerte presión y deformación. Como se mencionó anteriormente, estas deformaciones plásticas ocurren debido a la fuerte presión entre torones y alambres por causa de un alambre fracturado o desacomodado.

66

4.4 CONCEPTO DE FALLA El criterio seguido para retirar de operación el cable fue la presencia de una gran cantidad de alambres fracturados en una longitud muy corta del alma del mismo. Se concluye que el alma del cable falló debido a fatiga. La causa más probable de falla del alma es la acción progresiva de esfuerzos cíclicos de flexión durante el paso por las poleas y también por la presencia de esfuerzos cíclicos del tipo tensión-tensión en maniobras de cargue y descargue. De esta manera, se deduce que los alambres fracturados a 45° (cerca de 89) fallaron por fatiga conllevando a una disminución en la resistencia del alma. Esta disminución en la resistencia produjo que algunos alambres (alrededor de 11) empezaran a fallar por sobrecarga a 90°. Se tienen algunos factores que muy probablemente contribuyeron a la falla por fatiga del alma, como son: desgaste adhesivo entre alambres, deformaciones plásticas presentes en los alambres, corrosión por picadura debido al debilitamiento de la capa de galvanizado como consecuencia del desgaste superficial, marcas de trefilado sobre la superficie de los alambres. Todos los factores nombrados anteriormente pueden generar concentradores de tensión que, a su vez, sirven como sitios de iniciación de grietas. También se debe tener en cuenta que la vida útil del cable (9 años) se encontraba muy cercana a la vida de operación máxima sugerida por el fabricante (10 años). El mantenimiento precario durante los primeros tres años de funcionamiento pudo ser otro factor que contribuyó al deterioro del alma y del cable.

67

4.5 CONCLUSIONES

• La falla del cable se clasifica como una falla por fatiga, en donde los alambres del alma iniciaron a fracturarse por acción de cargas menores a la Carga Mínima de Rotura (CMR).

• La gran cantidad de alambres fracturados a 45° fallaron debido a fatiga, en donde no se observó deformación plástica. Esto disminuyó la resistencia del alma. El mecanismo de propagación de grietas es intergranular predominantemente, con algunos indicios de propagación transgranular.

• Los alambres fracturados a 90° fallaron por sobrecarga, y en estos se observó cierta deformación plástica. El mecanismo de propagación de las grietas es predominantemente transgranular.

• Factores como desgaste, deformaciones y corrosión, pueden generar concentradores de tensión que promueven la nucleación de grietas.

• El paso continuo del cable por las poleas genera fuertes presiones que contribuyen al desgaste de los alambres externos e internos. Así mismo, generan esfuerzos cíclicos de flexión que disminuyen progresivamente la resistencia del cable, llevando a la falla por fatiga.

• El buen mantenimiento y lubricación son factores vitales para lograr una vida de servicio prolongada.

4.6 SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES Se sugieren las siguientes recomendaciones al propietario del cable:

• Cumplir con el procedimiento de mantenimiento sugerido por el fabricante, tanto para los cables en operación como para los almacenados.

• Realizar operaciones de mantenimiento minuciosas, teniendo en cuenta la lubricación tanto externa como interna del cable.

• Mantener adecuadamente lubricados las poleas y tambores de los montacargas.

• No sobrepasar la carga máxima que puede soportar el sincroelevador.

68

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