Caso Rotura Eje Cola Rev4

Fundamentos del Análisis de Falla en Componentes Mecánicos

INFORME COLABORATIVO PRIMERA PARTE CASO: ROTURA DE EJE DE COLA EN EMBARCACIÓN PESQUERA GRUPO N° 2 INTEG NTEGRA RAN NTES: TES:

Rob Robert erto Yepe Yepezz Gonzal nzale es Yuri Cisneros Ponce Alexander Zamora Zamora Tarazona José Boncún Carnero

Setiembre 2012 Pontificia Universidad Católica del Perú

1

4DFSFSDFFSD Fundamentos de Análisis de Fallas en Componentes Mecánicos

ROTURA DE EJE DE COLA DE EMBARCACION PESQUERA 1. Introducción.Se ha recibido una porción de eje roto de 5.1/2” de diámetro, correspondiente al eje de cola de una embarcación pesquera. Se desconoce el tiempo de servicio del componente. Este eje presenta una camiseta fabricada de bronce, que empieza en la zona correspondiente a la fractura del eje. Se desconoce el material del eje y las condiciones de resistencia mecánica que debe tener este componente de acuerdo a especificaciones del fabricante. No se cuenta con los datos del tamaño de la embarcación pesquera (eslora, manga, puntal), no tenemos la marca, modelo y potencia del motor propulsor, no tenemos la marca, modelo y ratio de la caja reductora, datos de la línea de propulsión (numero de ejes, numero de descansos)

2. Descripción.2.1. Explicación del proceso afectado: “… el día del siniestro el eje se partió durante la faena de pesca cuando la embarcación se encontraba en retroceso para cerrar la red. El cable de la tira fue arrastrado por la red y se atracó en la hélice la cual se partió al contacto. La rotura del eje se ha producido en la zona crítica donde empieza la camiseta de bronce. Durante el siniestro se perdió el cono del eje y la hélice…” 2.2. Explicación del Equipo/Componente afectado y su modo de operación: Una embarcación pesquera es un artefacto naval flotante, que por su necesidad varia de tamaño (de 10 ton a 1,500 ton) y de material de construcción (madera, fibra de vidrio, acero naval), con propulsión propia compuesta por un motor diesel, una caja reductora, una linera de ejes y una hélice, diseñada para la explotación de recursos del mar con el apoyo de aparejos de pesca.

2

Facultad de Ciencias e Ingeniería

Fundamentos del análisis de falla en componentes mecánicos

La embarcación pesquera que opera con una red de cerco, del cual uno de sus componentes para las maniobras es la tira (cabo sintético ó cable de acero) cuyo diámetro varía de acuerdo al tamaño de la embarcación y de la red de cerco, pudiendo ser por lo general desde ¾” hasta 1”.

La red de cerco consiste en una red con flotadores en la parte superior y lastre en la inferior, de forma que la flotación supera al lastre y la red queda entre aguas. Se compone de varios paños de red. generalmente tres o cuatro, unidos unos a otros por los lados. Para su maniobra se apoya con cables de acero llamados gareta y tira. Este tipo de arte se utiliza para la captura de peces pelágicos pequeños, principalmente anchoveta, jurel y caballa.

El sistema o línea de ejes es esencialmente el enlace entre la hélice y el motor principal, este debe ser operable en todas las condiciones de trabajo sin que falle, durante toda la vida del buque.

Pontificia Universidad Católica del Perú

3


El sistema de ejes tiene el equipamiento necesario para convertir el movimiento de rotación de la maquinaria principal, en potencia de empuje, necesaria para lograr la propulsión de la embarcación. Este sistema debe cumplir con varios objetivos, los cuales son vitales para lograr una buena operación del buque, estos objetivos son: 1.- Transmitir la potencia desde la máquina principal a la hélice. 2.- Soportar a la hélice. 3.- Estar libre de formar vibraciones perjudiciales. 4.- Transmitir el empuje desarrollado por la hélice al casco. 5.- Soportar con seguridad la carga de operaciones transitorias (cambios de marcha, maniobras a alta velocidad). 6.- Proporcionar operaciones seguras a través de todo el rango de operaciones. El juego de ejes localizado en el interior del buque es llamado .línea de ejes y está constituido de la siguiente manera:   

Eje motor o eje máquina propulsora. Eje intermedio, formado por uno o varios trozos. Eje de cola o eje porta hélice.

El eje de cola, es el último tramo de la línea de ejes, que se instala en la zona del codaste (parte inferior de la popa de la embarcación) y que sobre su extremo final termina de manera cónica y roscada (con canal chavetero) para la instalación y aseguramiento de la hélice. 2.3. Descripción del sistema de eje de cola El eje de cola pertenece al sistema de ejes de enlace entre la hélice y el motor principal. Es el último tramo de línea del eje sobre el cual se instala la hélice. El sistema de ejes tiene el equipamiento necesario para convertir el movimiento de rotación de la maquinaria principal, en potencia de empuje, necesaria para lograr la propulsión de la embarcación. Los ejes pueden ser macizos o huecos, siendo el más común el de construcción maciza de acero forjado. El eje cola termina en su extremo de popa en una parte cónica para poder alojar la hélice, siendo asegurada mediante una tuerca de bronce atornillada formando una junta estanca con la cara extrema del eje. El otro extremo del eje se asegura mediante canales chaveteros y seguros del acoplamiento. El eje viene provisto de una camisa de bronce para evitar el desgaste rápido que se produce en las zonas en donde se apoya (bocinas y empaques del prensaestopa). Estas camisas son ensambladas al eje en caliente. En la superficie en donde el eje queda en contacto en con el agua de mar, lleva un forro de material epóxico o fibra de vidrio, para evitar las corrosión del mismo.

4



Debido a la diferencia de materiales de la camisa y el resto del eje, puesto ambos en contacto con el agua de mar, se producen efectos galvánicos que provocan mecanismos de corrosión por picaduras en el eje.

Esquema básico de una línea de ejes 1.- Brida del eje. 5.- Eje de cola. 9.- Hélice.

2.- Eje intermedio. 6.- Prensaestopas. 10.- Tuerca de apriete

3.- Cojinete de apoyo. 4.- Mangones. 7.- Bocina. 8.- Casquillo de la bocina.

La lubricación de las bocinas de apoyo se realiza mediante agua o por aceite. Para el caso de agua las bocinas lubricadas por agua son de material thordon, neoprene o madera guayacan. Los lubricados por aceite deberán evitar el ingreso de agua y salida de aceite del tubo que aloja las bocinas (tubo codaste). El material a usar es bronce o de una aleación con base de estaño. 2.4. Esfuerzos actuantes en el eje de cola Los ejes de cola trabajan bajo condiciones más difíciles que otras partes de la línea, debido a la pérdida de equilibrio de la hélice originado por daño de erosión o corrosión de la hélice ò por fractura de una de las palas de hélice, etc. Las fuerzas de deflexión periódicas generadas provocan tensiones adicionales en el eje de cola Las tensiones flectoras en el eje de cola se ven incrementadas cuando el barco navega sin cargamento o lastre debido a la excentricidad del empuje de la hélice, resultado de la aparición parcial de la hélice. La fatiga de las bocinas, y particularmente el cojinete de apoyo más a popa, provoca el doblamiento del eje de cola y un incremento en la amplitud de las tensiones flectoras.


5


Los factores principales que contribuyen a las dificultades operacionales con las cuales la hélice tiene que soportar, son la acción corrosiva del agua de mar, acción de fuerzas alternantes de flexión, impacto del hielo, objetos flotantes o fondo del mar. La principal razón para la fractura de los ejes de cola en las áreas de transición desde la parte cónica a la cilíndrica es la fatiga de corrosión del material. Después de un período relativamente largo, los agrietamientos cruciformes aparecen sobre la superficie del eje de cola entre las camisas. Ellos son provocados por la acción prolongada de las tensiones torsionales. 2.5. Acero para ejes Normalmente en el caso de ejes son utilizados aceros AISI 1040, AISI 1060, AISI 4140 y 4340. Cuando los ejes son fabricados con aceros que tienen bajo contenido de carbono, normalmente menor que 0.30% C, son sometidos al tratamiento termoquímico de cementación (carburación), con el fin de incrementar el contenido de carbono en la superficie pudiendo alcanzar valores de hasta 1.2% C. Luego los ejes son sometidos al tratamiento térmico de temple para elevar la dureza de la superficie, generalmente en el intervalo de 58 a 65 HRC, por la formación de la microestructura martensita, quedando el interior blando, dúctil, por el bajo contenido de carbono inicial del acero con una dureza en el intervalo de 30 a 45 HRC. Finalmente los ejes deben de ser sometidos al tratamiento térmico de revenido a baja temperatura, para lograr eliminar o minimizar la tensiones internas producto de la formación de martensita, de esta manera se consigue que no disminuya considerablemente la dureza, la microestructura obtenida es martensita revenida.

6



Con estos tratamientos se logra que los ejes adquieran las condiciones metalúrgicas y mecánicas más adecuadas para su buen desempeño en servicio. No obstante que en la fabricación de ejes se toman en cuenta los diferentes principios y/o recomendaciones de diseño, lamentablemente en diversas ocasiones se presentan fallas, normalmente fracturas; estas se originan en puntos de concentración de esfuerzos que se clasifican en tres grupos: • Heterogeneidades en la forma del eje derivadas del diseño: escalones por cambios de diámetro, orificios, esquinas abruptas, chaveteros, estrías, roscas, ranuras y ajustes a presión. • Discontinuidades superficiales surgidas de la fabricación o por daño en servicio: hendiduras, picaduras, muescas, marcas de maquinado, de rectificado y de identificación, corrosión. • Discontinuidades internas: porosidad, contracciones, inclusiones no metálicas, grietas y vacíos. Adicionalmente se tienen ensambles defectuosos, selección errónea de material, tratamientos térmicos incorrectos. Las causas más frecuentes que producen averías en los ejes propulsores son las camisas defectuosas y lo más grave es la ruptura en la región del cono. La ruptura del eje propulsor y la consecuente pérdida de la hélice, es siempre un acontecimiento grave, especialmente si ocurre en viaje con el buque cargado, pues además de la pérdida de la hélice e inutilización del eje, el buque se ve en la obligación de ser remolcado para arribar al punto mas próximo, donde deberá descargar para poder entrar a dique. La ruptura del eje propulsor en el cono ocurre de un modo general, debido a procesos de fatiga provenientes de dos causas principales a saber: a) Vibraciones torsionales.- Las posibles causas de vibraciones pueden producir respuestas tales como aceleraciones, velocidades y desplazamientos, por lo que se espera fatiga del material de la estructura, componentes de la línea de ejes, mal funcionamiento de los equipos y maquinarias, y una disminución en la eficiencia de los servicios de la embarcación. Sabemos que las vibraciones se producen por la presencia de fuerzas excitadoras, produciendo consecuencias o respuestas en la estructura o en la línea de ejes. El origen de las fuerzas excitadoras se atribuye a los siguientes elementos: Motor propulsor. Propulsor Línea de ejes Motores auxiliares Acción del mar. • • • • •

b) Hélice desapretada.- Debida a un apriete insuficiente de la hélice en el respectivo cono del eje. Esto puede suceder por un descuido de montaje o por un deficiente ajuste de las superficies cónicas del eje y del núcleo o de la chaveta en la respectiva ranura y por lo tanto siempre se debe examinar con cuidado y a fondo el ajuste del cono y el apriete correcto de la hélice.


7


La hélice no suficientemente apretada acaba por deslizar sobre el cono, ampliando las trepidaciones y las vibraciones torsionales y sus efectos de fatiga, además de forzar la chaveta que acaba mordiendo la respectiva ranura provocando concentraciones de tensiones y generando puntos de inicio de fractura. En fin, la hélice suelta facilita la penetración de agua salada en el cono y lubricando las superficies favorece el martilleo, el desgaste de material y la corrosión que lo llevan a la ruptura. Los ejes de cola trabajan bajo condiciones más difíciles que otras partes de la línea. Si acaso la hélice ha padecido de corrosión o daño de erosión o, especialmente, si acaso una de las palas de la hélice se ha llegado a fracturar, el equilibrio de la hélice esta trastornado y las fuerzas flectoras periódicas adicionales creadas, las cuales provocan tensiones adicionales en eje de cola. Las tensiones flectoras en el eje de cola se ven incrementadas cuando el barco navega sin cargamento o lastre debido a la excentricidad del empuje de la hélice, resultado de la aparición parcial de la hélice. Los factores principales que contribuyen a las dificultades operacionales con las cuales la hélice tiene que soportar, son la acción corrosiva del agua de mar, acción de fuerzas alternantes de flexión, impacto del hielo, objetos flotantes o fondo del mar. La principal razón para la fractura de los ejes de cola en las áreas de transición desde la parte cónica a la cilíndrica es la fatiga de corrosión del material. Después de un período relativamente largo, los agrietamientos cruciformes aparecen sobre la superficie del eje de cola entre las camisas. Ellos son provocados por la acción prolongada de las tensiones torsionales. En nuestro caso en particular es la falla de un eje de embarcación marina, eje que recibe la potencia del motor transmitiéndola a las hélices, haciendo posible el movimiento de la embarcación. Este eje falló por fractura en tiempo de servicio desconocido, no se tienen datos tampoco sobre la fabricación del eje (material, tratamientos, etc.), hecho por el cual se debería de solicitar a un Laboratorio de Metalografía y Tratamientos Térmicos estudiar el caso; los resultados del análisis de falla se presentan en este trabajo. 3. Análisis del Árbol Lógico de Fallas (Ver hoja árbol lógico en archivo adjunto).

8



4. Ensayos a Realizar: Los ensayos del material recomendados, que nos permita conocer más detalles de las causas de la falla en el eje de colas, serán los siguientes: a) END / Inspección visual (Macro Factografía), mediante observación directa y con ayuda de una lupa estereoscópica. Nos proporcionará información de la superficie fracturada en la zona frontera del eje con la camiseta de bronce (presencia de corrosión por picadura y deposición de sales), asì mismo podremos registrar las multiple fisuraciones en la sección transversal del eje. b) Análisis químico, empleando espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX). A fin de conocer la composición química del eje de acero y de la camiseta de bronce.Determinaremos si el eje es de acero inoxidable o de acero al carbono. c) END / Micro - Fractografía, mediante microscopia electrónica de barrido. A fin de corroborar la existencia de corrosión bajo tensión en la superficie de fractura. d) END / Análisis Metalografico, mediante microscopia óptica. A fin de caracterizar el método o proceso de fabricación del acero del eje y bronce de la camiseta, así mismo confirmará la existencia de mecanismos de corrosión. e) Ensayo Mecánico de Dureza Brinell (ASTM E10) para conocer la dureza actual en la superficie del eje de transmisión en el momento del incidente, para descartar cualquier tipo de microproceso de temple que se haya podido dar. f) Ensayo Mecánico de Tracción, para conocer la resistencia mecánica del material y su ductibilidad final Asimismo, recomendamos complementar el estudio mediante: a) Un análisis de elementos finitos del estado de esfuerzos a que fue sometido el eje en el momento de la falla, basados en los datos reportados en el momento de que ocurrió la falla. b) Un análisis del historial de mantenimiento y del informe de la última reparación y montaje del eje de cola.


9

Caso Rotura Eje Cola Rev4

Recommend Documents