Tesis Elevador de Cangilones Calculo

UNIVERSIDAD METROPOLITANA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQU1NA GRANALLADORA PARA LIMPIEZA EXTERNA DE TUBERÍAS DE ACERO”

TOMO I

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

Celestino Martínez Machado Miguel R. Pereiras R. Caracas, Septiembre 1991

APROBACIÓN

Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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APROBACIÓN


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“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQU1NA GRANALLADORA PARA LIMPIEZA EXTERNA DE TUBERÍAS DE ACERO”

Celestino Martínez Machado Miguel R. Pereiras R.

Trabajo Especial Especial de Grado presentado ante ante la Escuela de Ingenie Ing eniería ría Mecánica de la Universidad Metropolitana Metropolitana en cumplimiento cumpl imiento parcial de los requisitos exigidos para optar al titulo de Ingeniero Mecánica.

Aprobada su presentación:

_______________ Profesor Guía Caracas, Septiembre 1991 Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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VEREDICTO


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Los suscritos, miembros del Jurado designado para examinar el Trabajo Especial de Grado presentado por los Bachilleres:

CELESTINO MARTINEZ MACHADO MIGUEL A. PEREIRAS R. para optar al Titulo de Ingeniero Mecánico en la Universidad Metropolitana, hacen constar que han examinado el mismo, otorgándole la Calificación de: 20 PUNTOS (VEINTE PUNTOS), sin hacerse solidarios de las ideas ni conclusiones en él expuestas. Caracas, Septiembre 1991. OBSERVACIONES: NOTAS:

1) Calificar de O a 20 puntos. 2) El Jurado podrá señalar los aspectos que considere de

interés

sobre

el

Trabajo

presentado.

Podrá

hacer

recomendaciones en cuanto a la conveniencia de continuar la investigación, la presentación del Trabajo

para optar a algún

premio, la difusión del mismo, etc. En caso de aplazamiento, el Jurado podrá razonar sus motivos, indicando si el Trabajo es susceptible de mejorar o debe descartarse totalmente.


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DEDICATORIA


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A mis Padres y Hermanos. A Corina. Gracias por estar siempre allí, ...por su cariño y apoyo. C.M.M.

A mi padre y hermana; Pero, en especial a mi madre por acompañarme en los momentos másdifíciles. Miguel


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ESTRUCTURA DE LA TESIS


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TOMO I DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQUINA GRANALLADORA PARA LIMPIEZA EXTERNA DE TUBERIAS DE ACERO. PORTADA

CARATULA INTERIOR APROBACION PROFESOR GUIA VEREDICTO DEDICATORIA ESTRUCTURA ÍNDICE GENERAL AGRADECIMIENTO PENSAM1ENTO SUMARIO INTRODUCCIÓN PARTE I Marco teórico. CAPITULO I Teoría de corrosión. CAPITULO II El proceso de granallado CAPITULO III Partes que conforman la máquina granalladora. PARTE II El Diseño CAPITULO IV Diseño de la “Planta de Revestimiento CAPITULO V Diseño de la cabina. SECCIÓN I Diseño de columnas y vigas. SECCIÓN II Diseño de los vestíbulos, el embudo y el sistema de puertas.


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CAPITULO VI Diseño del elevador de cangilones. CAPITULO VII Diseño de el panel de control. CAPITULO VIII Selección de partes y equipos. PARTE III Construcción de la máquina granalladora CONCLUSIONES REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA

TOMO II APENDICES Y ANEXOS

APENDICE 1 Catálogos APENDICE 2 Planos de taller y conjunto APENDICE 3 Hoja PERT-CPM (Diagramas de “Gant” y del “Camino Critico”)

TOMO III MANUAL DE OPERACION Y MANTENIMIENTO


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PARTE I Funcionamiento y Operación PARTE II Mantenimiento


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INDICE GENERAL


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AGRADECIMIENTO........................................................................... PENSAMIENTO .................................................................................. SUMARIO ............................................................................................ INTRODUCCION…………………………………………………..... PARTE I: MARCO TEÓRICO ....................................................... .. CAPITULO I: Teoría de corrosión....................................................... 1.1 -Conceptos básicos de corrosión................................................... 1.2 -Clasificación de los procesos de corrosión................................. 1.3 -Corrosión atmosférica del hierro y otros metales ...................

CAPITULO II: El proceso de granallado ............................................. 2..1 -Teoría de impacta sobre materiales dúctiles ............................ 2.1.1 -Teoría de corte erosivo ................................................. 2.1.2 -Teoría combinada de la erosión ..................................... 2.1.2.1 -Desgaste por deformación................................ 2.1.2.2 -Desgaste por corte............................................

2 .2 -Formas de optimizar el proceso de granallado............... .......... CAPITULO III: Partes que conforman la granalladora.......................... 3 .1 - Unidades de turbina…….. ........................................................... 3.1.1 -Impeller o Dosificador ................................................... 3.1.2 –Alabes……………………………………………….


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3.1.3 -Jaula de Control................................................................ 3.2 - La Cabina....................................................................................... 3.3 -Sistema de recirculación (elevador de cangilones)......... 3.3.1-Forma de los cangilones y material a, transportar…… 3.3.2 -Bandas y cadenas............................................................ 3.3.3 -Determinación del diámetro del tambor ...................... 3.3.4 -Juntas o empalmes ......................................................... 3.3.5 -Descarga .......................................................................... 3.3.6 -Capacidad, esfuerzos y potencias................................. 3.3.7 -Carga y descarga............................................................ 3.3.8 -Estudios de tensiones en elevadores de banda……..

3.3.9..-Detalles constructivos generales ............................. 3.3.10 -Dispositivos de segundad ............................................ 3.4 -Sistema de limpieza.................................................................. 3.5 -Recolector de polvo ................................................................ 3.6 -Sistema de transporte................................................................ 3.7 -Sistema de instrumentación y control .....................................

PARTE II: EL DISEÑO…………………………………………. CAPITULO IV: Diseño de la planta de revestimiento........................... -Distribución de equipos y diagrama de flujo de la planta……………………………………………………............. 4.2 -Equipos que conforman la planta .................................................

CAPITULO V: Diseño de la Cabina................................................... 5.1 -Diseña de columnas y vigas ..................................................... 5.2 -Diseño de los vestíbulos, el embudo y el sistema de puertas

CAPITULO VI: Diseño del elevador de cangilones ........................ 6.1 -Forma y dimensionado del cangilón....................................... 6.2 -Selección del medio del transporte ........................................ 6.3 -Diámetro de los tambores ....................................................... 6.4 -Longitud de la banda ...........................................................

6.5 -Elección del tipo de junta....................................................... 6.6 -Cálculo del número de rpm, de la velocidad y ángulo de descarga 6.7 -Cálculo de la potencia del motorreductor 6.8 -Cálculo de la tensión de la banda............................................. 6.9 -Diseño de los tambores............................................................. 6.10-Diseño del eje del tambor motriz ..........................................

6.10.1 -Cálculo de momentos ................................................... 6.10.2. Cálculo de chavetas ......................................................... 6.10.3 -Cálculo del eje motriz ................................................. 6.11 Diseño del eje del tambor de pié .............................................. 6.11.1 -Cálculo de momentos.. ................................................... 6.11.2 -Cálculo del eje de pié ............................................... 6.12 - Selección de las chumaceras para el tambor motriz……………………………………………...............

6.13-Selección de las chumaceras para el tambor de pié .................. CAPITULO VII: Diseño del panel de control Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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7.1

-Cálculo de corrientes para los motores de las

7.2

-Cálculo de corrientes para el motor del elevador de cangilones y

“turbinas”

de la malla rotativa…………... ………........................................... 7.3

-Lista de materiales a utilizar………………………….............

CAPÍTULO VIII: Selección de partes y equipos

.................................

8.1 -Las 'turbinas’............................................................................................................................... 8.2 -El separador de granalla ...............................................................

8.3 -El extractor de polvo ................................................................ 8.4 -El regulador de caudal y ruido ...................................................

8.5. -Los motores eléctricos ........................................................... PARTE III: CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA GRANALLADORA III.1 -Pasos a seguir para la realización del plan..................... CONCLUSIONES ................................................................................... REFERENCIAS .................................................................................... BIBLIOGRAFÍA ...............................................................................


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AGRADECIMIENTO


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Queremos expresar nuestro sincero agradecimiento a la Empresa SOLTUCA y a todo su personal por toda la colaboración prestada a lo largo de la realización de este trabajo, y en especial a su Presidente Ing. Victorio Ermoli, por su valioso apoyo. Al Dr. Celestino Martínez Pérez por su incansable ayuda en todas las fases del trabajo ya que estuvo todo el tiempo presente guiándonos y alentándonos en cada tropiezo que teníamos. Sin él no hubiera sido posible la realización de esta tesis. A nuestro asesor, tutor y muy querido amigo, Ing. Carlos Aguerrevere, por habernos tendido la mano en los momentos más difíciles. A la compañía norteamericana, The Wheelabrator Corporation, en nombre de sus asesores Mr. Ted Griffith y muy especialmente Mr. Dave Griffith, por su decidido aporte en la realización del diseño y construcción de la máquina. Al Ingeniero José Guaicara por ayudarnos a hacer realidad nuestro diseño, trabajando junto con nosotros en lo que hiciera falta, las

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horas del día... y más. ¡De verdad gracias! A los Señores Pedro Gil y Félix Tejedor, así como también a Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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MATINDUSTRIE por su valiosa ayuda en todo lo referente a los sistemas de control y al diseño de las instalaciones eléctricas de la maquina granalladora. A Armando Martínez por todo lo referente a 'Obras Civiles’ y 'Seguimiento de Proyectos' con PERT-CPM, y por empujar con nosotros hasta el final. A Jorge Martín Romero, Enrique Mantera, y Demetrio Di Miele, por ser verdaderos "AMIGOS". En fin, a todas aquellas personas y empresas que de alguna u otra manera tuvieron algo que ver con la realización de este trabajo y que en algún momento también fueron valiosas. A todos ellos....muchas gracias.


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No hay nada más difícil de llevar a cabo, más arriesgado de conducir o más incierto de lograr, que iniciar la introducción de ideas nuevas, porque el innovador tiene por enemigos a los que se desenvolvieron bien con las antiguas y por defensores indiferentes a los que son capaces de usar las nuevas. MAQUIAVELO: EI Príncipe


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SUMARIO A través de los años se ha visto que la calidad de la preparación de la superficie es de vital importancia para los diferentes sistemas de revestimiento aplicados al acero para proteger al mismo de la corrosión. De esta manera se ha aceptado el método de limpieza por chorro de abrasivo o granallado como aquel con el cual se pueden conseguir los mejores resultados tanto en la limpieza como en la textura de la superficie (patrón de anclaje de la misma), siendo comparativamente el sistema más económico. Antes de 1930 esta limpieza por chorro de abrasivo solo podía ser lograda utilizando aire comprimido, de hecho, hoy en día existen casos en los cuales la limpieza sólo se puede conseguir por este método. Luego, con la introducción del método de limpieza con abrasivo utilizando sólo fuerza centrífuga, se logró que los sistemas fueran más productivos, de mayor eficiencia y menos costosos. Incluso se pueden obtener altos grados de uniformidad en la calidad del acabado. Los niveles de limpieza o de acabado superficial que se pueden lograr con este sistema son: - Metal Blanco - Cerca de Metal Blanco Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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- Comercial - Cepillado.

pudiendo variar en cada uno, el anclaje que pueda tener la superficie. Diríamos que esto representa la primera presentación informal de lo que constituye el presente Trabajo Especial de Grado, ya que este es te cons c onsis iste te just j ustam ament entee en el "DIS " DISEÑO EÑO Y CO CONSTRUCCIÓN DE UNA MAQU MAQUIN INA A

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angulares, llamadas comúnmente granallas y que son utilizadas por dos máquinas impulsoras para ser lanzadas contra la superficie externa de las tuberías. De esta forma se pretende obtener una superficie limpia y apta para una posterior aplicación de revestimiento externo como es la pintura, ya sea en forma líquida o con polvo epóxico. El enfoque dado desde el comienzo del proyecto consistió en utilizar un sistema novedoso de planificación que nos permitiera hacer un esquema de trabajo por actividades de forma tal que no se perdiera tiempo para la ejecución del mismo, ya que el periodo de tiempo establecido era muy reducido. reducido. Es así como se decide utilizar utilizar el paquete de planificac planificación ión llama llamado do “ K E Y PLAN PLAN ”, el el cual cual es una una herram herramie ienta nta valiosísima que ayuda integralmente a la planificación de Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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todo lo concerniente a costos, tiempos, actividades criticas, sueldos y salarios de obreros y empleados, utilizando el sistema PERT-CPM.. La tesis está compuesta por tres tomos. El primero consta en su primera parte de un marco teórico bastante extenso que abarca la teoría de! proceso de granallado comenzando desde unas bases de corrosión, y continuando luego con lo que ocurre en el momento del choque entre la granalla y la tubería, como mejorar y obtener una buena eficiencia en el proceso, y las características de cada uno de los componentes que conforman la máquina. Se decidió hacer esta parte lo mas extensa posible debido a la dificultad que existe a nivel nacional para conseguir bibliografía a este respecto. Posteriormente, en la segunda parte de este primer tomo, se describe el proceso de diseño de todos aquellos componentes que son posibles de construir en el país acompañándolos con sus respectivos planos, y luego se explica el proceso de selección de todas las piezas partes y equipos que debido a su diseño, obtenido durante más de 10 años de investigación y mejoras, así como a lo especial de los materiales que los constituyen, se tuvieron que adquirir. El segundo tomo titulado Apéndices y anexos, contiene todos los catálogos utilizados para el diseño, así como también todos los planos y diagramas que por su tamaño no pudieran ser incluidos en el primer tomo. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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El tercer tomo es un manual de operación y mantenimiento de toda la máquina, el cual consideramos que es de vital importancia ya que sin este tipo de manual ningún equipo puede lograr la vida útil de el esperada, ni cumplir a cabalidad la función para la cual fue diseñado y construido, ya que una máquina de este nivel de sofisticación, amerita que todo el personal que la opere o le haga mantenimiento, esté claro y seguro del trabajo que desempeña a través de una lectura minuciosa de este manual.


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INTRODUCCIÓN La empresa Soldaduras y Tuberías de Oriente C. A., SOLTUCA ubicada en Barcelona, Estado. Anzoátegui, está dedicada a la fabricación de tubos de acero con soldadura helicoidal partiendo de bobinas laminadas en caliente distribuidas por SIDOR según especificaciones de las normas ASTM, AWWA, DIN, BSI, API NURGAS, etc. SOLTUCA posee instalaciones para el recubrimiento interior y exterior de tuberías con productos líquidos y bitúmen catalizado, de acuerdo a los requerimientos de las normas solicitadas por los clientes. Antes de realizarse el recubrimiento se procede a la limpieza interior y exterior de los tubos con granalla, impactándola hasta obtener una superficie pulida, eliminando toda huella de oxidación y dejando la superficie en excelente condición para recibir la pintura. La necesidad de expandir todas las instalaciones de SOLTUCA es un motivo muy importante para que se invierta en una “máquina granalladora”, capaz de limpiar externamente la superficie de tuberías de manera óptima en el menor tiempo posible, de esta forma, el proceso productivo se hace más eficiente y por supuesto al menor Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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costo posible. Se emplearon bastantes horas, antes de la fase de diseño, en observar y estudiar el mecanismo de trabajo así como la construcción de distintas máquinas granalladoras que existen actualmente en el país. Los resultados fueron satisfactorios, pues se pudo aprovechar la experiencia obtenida en las distintas visitas, en la fabricación de la máquina objeto de este trabajo. Se procuró en todo momento que los materiales y elementos mecánicos utilizados para la construcción de la máquina se encontraran ó pudieran ser fabricados en el país, ya que de esta manera resultaría más económico. Los equipos que incorpora la máquina y que estaban previstos de un alto grado de complejidad, tuvieron que ser importados. Cabe destacar que se realizó un minucioso proceso de selección de suplidores tanto a nivel nacional como internacional, tomando en cuenta para la elección, los factores precio y calidad. La gestión fue productiva ya que se entró en un campo nuevo que no se aprende en la Universidad, en el cual la única manera de desenvolverse bien es a través del estudio, la investigación de mercado y la experiencia. Esto corresponde a lo que se podría llamar “el mundo de los negocios”, fundamental en cualquier proyecto de gran envergadura y de cuyo éxito depende la Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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ejecución satisfactoria del trabajo en sí. Las limitaciones en lo que respecta a la construcción fueron muy diversas: 1) fue difícil conseguir teoría sobre granallado y limpieza externa de tuberías ya que este campo no ha sido muy explotado en los últimos años; 2) hubo limitaciones fuertes de tiempo porque se dependía de la ejecución de los trabajos por parte de las empresas suplidoras; 3) resultó muy difícil construir las fundaciones de la fosa de la máquina debido a que empezó el período de lluvias; 4) también hubieron problemas para la adaptación del voltaje y la frecuencia de los equipos importados con las que posee el país.

En fin, después de todas estas variantes y la resolución de muchos inconvenientes, se logró construir una máquina capaz de granallar tubos desde 16 plg. hasta 72 plg. de diámetro en un período mínimo de tiempo. Con esto se puede manifestar que es perfectamente factible desarrollar y ejecutar un proyecto de considerable magnitud, siempre y cuando se asuma el reto y se tenga la firmeza para seguir adelante a pesar de los momentos críticos y difíciles por los cuáles se pueda estar pasando.


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PARTE I MARCO TEÓRICO


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CAPITULO I TEORIA DE CORROSIÓN Se ha comprobado a través de ensayos realizados que el factor más importante para que una pintura protectora pueda cumplir con su cometido es la preparación adecuada de la superficie metálica donde esta se va a aplicar. Este factor puede llegar a ser incluso más importante que la calidad de la pintura misma. En otras palabras, un sistema de pintado con pintura mediocre sobre una superficie metálica preparada de manera adecuada se comporta en general mejor que si se emplea pintura de calidad superior sobre una superficie mal preparada. En el caso particular de nosotros, la preparación adecuada de la superficie de un tubo consiste en eliminar la cascarilla de oxido que poseen las tuberías que se encuentran almacenadas en SOLTUCA. La empresa se encuentra ubicada en la zona oriental del país, por lo cual le corresponde una atmósfera característica, y esto trae consecuencias en las características de la película de herrumbre que se forma sobre los tubos. Es por ello que pensamos que es necesario incluir en este trabajo, teoría sobre corrosión, como una forma de poder controlar todos los procesos que va a realizar la maquina granalladora. Aparte del estudio Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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de cuál es el efecto del impacto de las granallas sobre la tubería, se pretende conocer un poco más acerca de que es lo que realmente estas partículas arrancan de la superficie de los tubos una vez finalizado el impacto.

Conceptos básicos de corrosión: La corrosión es un ataque destructivo de los metales que puede ser de naturaleza química o electroquímica. La corrosión química directa sólo se verifica en condiciones extraordinarias que comprenden un ambiente altamente corrosivo o una elevada temperatura o ambas cosas. Son ejemplos de este tipo de corrosión los metales en contacto con ácidos o álcalis concentradas y la formación de oxido de hierro por disociación del agua en contacto con tubos de caldera recalentados. Sin embargo, la mayoría de los fenómenos que comprenden la corrosión de metales que contienen agua o están sumergidos en ella, o su corrosión en la atmósfera por películas de humedad, son de naturaleza electroquímica. Es por ello que debido a las condiciones en que se encuentran los tubos en SQLTUCA, la corrosión de éstos es de naturaleza electroquímica. La herrumbre es formada bajo condiciones húmedas por partículas de óxido, y las manchas que se forman son esparcidas superficialmente de forma irregular hasta que se reúnen, después con Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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el tiempo la rata de oxidación permanece claramente constante, Algunas veces el oxido se expande, no como una mancha expandida sino como un camino estrecho. Estos caminos son comparativamente rectos, pero cambian de dirección cuando se aproximan mutuamente y nunca se cruzan. Esta línea muy delgada de buido termina en una corrosión filiforme y es ilustrada a continuación: Líneas de herrumbre

Puntos de iniciación

El punto original absorbe agua y después que el óxido es precipitado, el lugar es cubierto con una membrana de óxido férrico hidratado. Esta se romperá en algún punto, tal vez debido al Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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incremento de volumen dentro de la membrana, y ocurrirá un nuevo ataque. Como el álkali se acumula alrededor del otro lado por un largo periodo de tiempo, más que en la parte delantera, el ataque prosigue en una dirección aproximadamente recta. La oxidación del hierro se complica por la formación de tres capas de distintos óxidos de hierro cuyas proporciones cambian con la temperatura y presión parcial del O 2 . Estas tres capas son como una cascarilla para temperaturas menores de 400 °C . Algunos resultados indican, que puede consistir en su mayor parte de Fe3O4 (óxido ferroso-férrico, ya que se le pueden considerar como un óxido mixto compuesto por FeO . Fe 2O3) con también algo de Fe2O3 alfa. El mérito de una aleación determinada para resistir a la oxidación en ambientes a temperatura elevada, en especial durante exposiciones largas, no depende sólo de las propiedades de barrera de difusión de las cascarillas formadas por los productos de reacción sino también de la continuidad y de la adherencia de dichas cascarillas sobre el metal. Las cascarillas protectoras se desprenden (fenómeno conocido como descascarillado) durante los ciclos de enfriamiento y calentamiento debido a que su coeficiente de expansión difiere del que posee el metal.


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Clasificación de los procesos de corrosión : Una clasificación lógica y científica del proceso de corrosión, aunque deseable, es de ninguna forma simple, debido a la enorme variedad de ambientes corrosivos y a la diversidad de reacciones de corrosión, pero la clasificación general en “mojado” o “seco” es ahora generalmente aceptado, y ambos términos son hoy en día de uso común. El término “mojado” incluye todas las reacciones en las cuales una solución acuosa es envuelta en el mecanismo de reacción. En el término “seco”, está implícita la ausencia de agua o de una solución acuosa. Para el caso que nos interesa, SOLTUCA se encuentra en un ambiente en el cual tiene lugar la corrosión “mojada” de los tubos, de aquí que tan sólo estudiemos este tipo de reacción. En la corrosión mojada, la oxidación del metal y la reducción de una especie en solución (agente oxidante) ocurre en diferentes áreas de la superficie metálica, en donde ocurre una transferencia de electrones a través del metal desde el ánodo (metal oxidado) hasta el cátodo (el que acepta electrones). Las fases termodinámicamente estables formadas en la interface metal/solución, pueden ser componentes sólidos ó iones hidratados (cationes o aniones), los cuales pueden ser transportados fuera de la interface por procesos tales como migración, Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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difusión y convección (natural o forzada). Bajo estas circunstancias, los reactantes no serán separados por una barrera, y de esta forma el mecanismo de oxidación tenderá a ser lineal. Las reacciones subsiguientes con la solución pueden resultar en la formación de una fase sólida estable, pero como esta se forma fuera de la interface, la misma no servirá de protección para la superficie metálica. El oxido termodinámicamente estable puede afectar la cinética de la reacción solamente si esta forma una capa o precipitado sobre la superficie metálica.

Corrosión Atmosférica del Hierro y Otros Metales: El hierro expuesto a la atmósfera en ausencia de humedad se corroe a una velocidad despreciable. Por ejemplo, piezas de acero abandonadas en el desierto permanecen durante largos periodos de tiempo brillantes y sin siquiera empañarse. Como se ha indicado antes, para que se establezca el proceso de corrosión es necesaria La presencia de un electrolito, de aquí que en climas con temperaturas inferiores al punto de congelación del agua o superiores a las de la condensación acuosa sobre las superficies metálicas, la oxidación sea despreciable. El hielo es un mal conductor electrolítico. Sin embargo, la incidencia de la corrosión por la atmósfera depende no sólo del contenido de humedad sino también del contenido de polvo y otras impurezas, algunas de las cuales favorecen la condensación de la humedad sobre las superficies metálicas. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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Clases de atmósferas: La atmósfera puede variar mucho con respecto a la humedad, temperatura y contaminantes, por lo que las velocidades de la corrosión atmosférica varían considerablemente de unas partes a otras. A medida que nos acercamos a la costa, el aire está cargado con crecientes cantidades de sales, en particular de NaCl (cloruro de sodio). En las zonas industriales se encuentran cantidades apreciables de SO 2, que se convierte en ácido sulfúrico y cantidades menores de SH 2, NH3, NO2 y diversas sales en suspensión. Un metal resistente en una atmósfera determinada puede perder efectividad en otro lugar, debido a que las características relativas de los metales pueden cambiar con la atmósfera, por ejemplo el hierro galvanizado se comporta bien en atmósferas rurales, pero en atmósferas industriales es bastante menos resistente. El reconocimiento de las marcadas diferencias en la corrosividad ha aconsejado clasificar las atmósferas en diferentes tipos, los principales son: marino, industrial, tropical, ártico, urbano y rural, existiendo grandes diferencias en la velocidad de corrosión en Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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muestras expuestas a atmósferas marinas según la proximidad al mar. El acero cuando es expuesto a una atmósfera industrial, reacciona para formar el óxido, de composición aproximada Fe 2Q3 • H 20, el cual siendo aparentemente adhesivo, no forma una barrera protectora que aísla el metal del ambiente; la reacción de esta manera prosigue a una rata aproximadamente lineal hasta que el metal es completamente consumido. SOLTUCA se encuentra en una atmósfera industrial, pero también se podría decir que se encuentra en una atmósfera marina por su cercanía al mar, que adicionalmente tiene una alta humedad relativa prácticamente durante todo el año. Esto trae como consecuencia que la rata de oxidación sea elevada en los tubos y por ende necesite un buen proceso de limpieza para poder arrancar todas las partículas de óxido. Además la condensación de la humedad, se favorece por la concentración de polvo sobre las tuberías, que aparte de las altas temperaturas existentes en el lugar, también hace que la acción corrosiva sea mucho más agresiva. De esta forma se evidencia el hecho de que la manera como se corroen los tubos sea “mojada”. Las capas de herrumbre que se forman en la atmósfera tienden a ser protectoras, es decir, la velocidad de corrosión decrece con el tiempo. La velocidad de corrosión alcanza en el transcurso del tiempo Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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un régimen estable y por lo general cambia poco durante la exposición posterior. Las superficies metálicas situadas donde se humedezcan o retengan humedad, pero fuera del alcance de la lluvia y por lo tanto no se laven, se corroen con mayor rapidez que las muestras totalmente expuestas. La razón de esto es que el ácido sulfúrico, por ejemplo, absorbido por el óxido continuará acelerando la corrosión, a través de un ciclo que puede ser de la siguiente manera (resulta muy difícil poder predecir el ciclo exacto que sigue el proceso de oxidación, ya que intervienen muchos factores que son desconocidos): +1 / 2 O

1 / 4 O +1 / 2 H SO

3 / 2 H O

4 2 2 2 4 2 Fe ⎯ ⎯2 ⎯ ⎯ ⎯ → FeSO4 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ → 1 / 2 Fe2 ( SO4 ) 3 ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ →

H SO

1 / 2 Fe2O3 + 3 / 2 H 2 SO4 En donde el FeS0 4 es aquel polvo que se puede apreciar sobre la superficie metálica que es de color amarillo. La película de herrumbre contaminada de esta manera cataliza la formación de más herrumbre. Por tanto, la exposición directa de un metal a la lluvia puede ser beneficiosa comparada con la exposición protegida parcialmente. Probablemente esta ventaja no se da en las atmósferas no contaminadas. Esta podría ser una ventaja para SOLTUCA, al tener las tuberías colocadas al aire libre, ya que las Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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lluvias lavarían las mismas del ácido sulfúrico y del polvo que se acumulan en ellas.


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CAPITULO II EL PROCESO DE GRANALLADO


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La limpieza por chorro de perdigones o granallado no es más que un método de trabajo en frío mediante el cual se inducen fuerzas de compresión en la capa superficial de los objetos metálicos trabajados, haciendo uso de una corriente de perdigones dirigida hacia la superficie del mismo a alta velocidad y bajo condiciones controladas. Además de limpiar la superficie que está siendo tratada, el proceso de granallado logra también aumentar la resistencia a la fatiga del material. Este proceso tiene también otras aplicaciones provechosas, tales como la de descargar las fuerzas de tensión que contribuyen al agrietamiento, la formación y consolidación de las piezas metálicas y la aceptación de la adherencia para cualquier tratamiento de cadmiado, pintado o esmaltado posterior. Cuando las partículas individuales de un chorro de perdigones a gran velocidad entran en contacto con una superficie metálica, producen, en la misma, ligeras depresiones ovaladas, entendiéndolas radialmente y causando en el instante del contacto, el flujo plástico del metal de la superficie. Por la general, el efecto se entiende de unos 0.127 a 0.254 mm bajo la superficie, no estando el metal bajo esta capa plásticamente deformada. En el equilibrio que resulta después de! Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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rebote del choque, el metal de la superficie está en compresión residual paralelo a la misma, mientras que el metal de abajo está en tensión. Esta fuerza compresiva compensa la fuerza de tensión impuesta de la misma manera que ocurre en el doblamiento, y mejora sensiblemente la resistencia de las piezas en servicio. Los perdigones que se utilizan para el martilleo son generalmente de acero o hierro, aunque también se empleen algunos materiales no-ferrosos y no-metálicos. De acuerdo a su tamaño, al perdigón se le designa mediante números. La numeración de perdigones estandarizados por Metapol S.A. (Ref. 1) van de S-70 a S-780 y corresponden a la denominación americana, según SAE J444. La letra antes del número puede ser S, significando “Shot” o granalla esférica; o G significando Grit o granalla angular. El número que sigue a la letra representa el diámetro de cada perdigón medido en diezmilésimas de pulgada. Los perdigones esféricos de acero se fabrican bajo un procedimiento particular (generalmente llamado “atomización”), al formarse glóbulos que rápidamente se solidifican en bolitas casi esféricas. Estas, son tamizadas por tamaños, recalentadas para endurecimiento, enfriadas al momento y templadas a la dureza que se desee. De acuerdo con SAE J827, el 90% de las medidas de Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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endurecimiento hechas en una muestra representativa han de entrar de lleno dentro de la serie de Rockwell C 40 a 58. Los perdigones esféricos de acero son actualmente los medios de martilleo más usados; con un tratamiento de calor adecuado, los perdigones esféricos de acero tienen una duración mucho mayor al de los perdigones de hierro. Su impacto y propiedades de resistencia, mejorados, disminuyen de manera notoria el porcentaje de quiebra de los perdigones, incrementando así la calidad del martilleo y aumentando la vida de los componentes de las máquinas que los utilizan. La limpieza por chorro abrasivo asegura la dirección forzosa de las partículas abrasivas, ya que sean secas o suspendidas en un líquido, contra las superficies de las piezas o productos metálicos, para eliminar contaminantes o para acondicionar las superficies para el acabado inmediato. Los típicos incluyen: 2. Eliminación de óxido, escamas, suciedades secas, arena de molde o pintura. 3. El tosco acabado de las superficies en preparación para la adhesión, pintado y otras capas. 4. Eliminación de rebaba 5. Desarrollo de un acabado de superficie mate.


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Hay varios métodos para propulsarlos abrasivos empleados en la limpieza por chorro, pudiendo utilizarse una gran variedad de medios abrasivos. El éxito de las operaciones de limpieza por chorro, radica principalmente en la selección juiciosa de su método y del medio abrasivo. Los materiales usados en la limpieza por abrasivo de chorro seco pueden ser catalogados como granalla angular, perdigones, “arena” y varios, siendo los dos más utilizados, la granalla y la arena. El equipo (modelo, costo inicial, capacidad de limpieza y conservación)

y

el

tipo

de

abrasivo

utilizado

influyen

considerablemente en los costos de limpieza por chorro abrasivo. E1 siguiente ejemplo basado en aplicaciones reales de producción, refleja las cantidades de los costos, entre la limpieza por chorro de granalla de acero y la limpieza por chorro de arena (chorro libre por aire o sand-blasting). Ejemplo: La tabla muestra un balance de costos calculado en una planta, para el uso de granalla angular de acero y arena para la limpieza de acero por chorro de aire.

COSTO DE LOS FACTORES

Granalla de acero angular

Arena


47

Costo inicial de abrasivo por Kg. Abrasivo Manipulación del nuevo abrasivo Total Abrasivo consumido por m2 de acero limpio Costo por m2 de Acero limpio Abrasivo Mantenimiento trabajo Mantenimiento materiales Costo total

20.53 ptas. 3 ptas.

0.30 ptas. 0.30 ptas.

23.53 ptas. 40.7 grs.

0.60 ptas. 2853 grs.

0.957 ptas. 0.234 ptas.

1.71 ptas. 0.32 ptas.

0.126 ptas.

0.31 ptas.

1.317 ptas.

2.34 ptas.

Los datos indican que: 1. Aunque la granalla angular de acero cuesta 40 veces más que la arena sílica (costos de manejos, incluidos), se consume 70 veces más arena por m2 que el acero limpio. 2. Fuera de la fuerza, trabajo directo y costos de equipo, los que se calculan iguales para ambos abrasivos, el costo de empleo de la granalla angular es aproximadamente 41% menor al "costo del uso" de arena, por m 2 de acero limpio.


48

En este ejemplo se puede notar que el costo total mayor, a pesar de que la granalla angular tiene un precio más caro, corresponde al de la arena, (El hecho de que los precios no sean los actuales no importa a efectos de lo que se quiere mostrar ya que la relación de los mismos permanece inalterada aunque estos varíen). De esta forma se demuestra el rendimiento del proceso de granallado en comparación con el proceso de sand-blasting ó chorro de arena. De ahora en adelante, en el transcurso de este trabajo, sólo nos referiremos a la granalla (en todas sus formas) ya que es la que nos interesa a efectos del diseño. La granalla angular consiste en unas películas angulares metálicas (generalmente perdigones aplastados de acero endurecido que pueden ser templados, o hierro blanco de fundición, endurecido, que puede ser maleabilizado), con gran poder de corte. Su empleo, esencialmente es el mismo que el de la granalla esférica, si bien su uso se caracteriza en aquellos casos en que se desee un decapado (o proceso de arrancar material) de una forma más profunda y rugosa, como por ejemplo, para posteriores esmaltados o tratamientos especiales a que deban someterse las piezas en cuestión; y, en general, en todos aquellos procesos o aplicaciones en que se necesite un mayor poder adhesivo, Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

49

para posteriores tratamientos de las piezas tales como: Esmaltaciones, pintura, recubrimientos anticorrosivos, de protección en la industria química, etc. Los perdigones están generalmente hechos de los mismos materiales que la granalla angular, tienen forma de partículas esféricas, y eliminan por contacto, películas, sedimentos, escamas, arenas y otros contaminantes de la superficie. Se emplean en todas las operaciones de granallado donde se pretende una superficie lisa y uniforme, tales como: Fabricación de flejes, perfiles y planchas de hierro y acero, en la elaboración de tubos con o sin costura, muelles, ballestas y envases metálicos de todas clases. En la selección del abrasivo adecuado para una aplicación específica, influyen la superficie o el tipo de contaminación a ser eliminada, el tamaño y forma de la pieza de trabajo, el acabado de superficie especificado, el tipo y eficiencia del equipo de limpieza y la medida de producción requerida. Se recomienda tomar en cuenta las siguientes observaciones generales sobre el trabajo de las partículas abrasivas: 1. Mientras más pequeña sea la partícula abrasiva, más fino será el acabado de la superficie y alcanzará zonas menos accesibles. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

50

2. Mientras más grande sea la partícula abrasiva, mayor será el impacto. 3. En general, mientras más dura sea la partícula abrasiva, más rápida será la acción de limpieza, y a la vez, una mayor fragilidad del abrasivo. La producción de una superficie uniformemente tratada, depende del mantenimiento constante de una mezcla de abrasivo en la máquina. Las superficies metálicas tratadas con granalla angular dura son más sensibles a un cambio en la mezcla, que las tratadas con una granalla angular suave o con perdigones. Por esto, es aconsejable programar algunas pruebas y reemplazo periódico de los abrasivos. La mezcla siempre contiene mayor cantidad de abrasivos usados que nuevos. Un método práctico para el mantenimiento de una graduación razonable de consistencia en la mezcla, es el de guardar un nivel uniforme del abrasivo en el tanque o tolva de reemplazo. Esto se obtiene añadiendo periódicamente nuevo abrasivo. El tonelaje total del mismo que se requiere para llenar la máquina a capacidad de operación, puede también afectar la frecuencia de las adiciones. Después de hacer contacto con la pieza de trabajo, el medio abrasivo es devuelto a una tolva de almacenaje para ser nuevamente usado. Los contaminantes gruesos y finos, recogidos durante el proceso, son eliminados al retornar el medio abrasivo hacia la tolva. Las partículas finas de polvo deben eliminarse de la mezcla por medio de un sistema Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

51

de separación por aire. El buen funcionamiento del equipo depende de la uniformidad de la corriente de aire a través del separador y de la utilización de cantidades y tamaños de abrasivos uniformes. Los contaminantes gruesos incluyen metales prensados, partículas, núcleos de alambre, partículas de clavos, escorias, arenas, láminas de óxido, partículas de herramientas y excesos de material, estos son generalmente eliminados por la criba de la mezcla abrasiva a través de malla de alambre, placa preparada o metal mandrinado (o abocardado) o sistema automático especial de eliminación de contaminantes. Los contaminantes finos incluyen arena, partículas blandas finas y oxidadas, polvos metálicos y partículas abrasivas desintegradas. El amontonamiento de contaminantes finos reduce la eficiencia del chorro, produciendo un desgaste excesivo de las turbinas centrífugas. LDS

contaminantes finos son eliminados de la mezcla por medio de

una corriente de aire, que los lleva a una cámara de expansión. Allí las partículas finas más pesadas experimentan un vuelco hacia arriba de la corriente de aire y caen en el área de sedimentación para ser eliminadas. Las partículas ligeras suspendidas en la corriente de aire son llevadas a través de los canales de ventilación al colector de polvo o aspirador. En muchas de las operaciones de limpieza por chorro es Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

52

ventajoso retener las pequeñas partículas metálicas proveniente del desgaste o rotura de abrasivos, estas partículas menores ayudan a excavar pequeñas grietas o valles si estas han de ser retenidas, los repasadores tienen que ser regulados para este objeto.

Teoría de impacto sobre materiales dúctiles (Ref. 2): El punto de partida del diseño, corresponde a un estudio del fenómeno que ocurre cuando la granalla, impulsada por la “turbina” o por un chorro de aire, golpea contra la superficie metálica. Es de vital importancia conocer a fondo que es lo que ocurre en este proceso, el análisis detallado de todos los factores involucrados serán la base de un diseño óptimo. En la mayoría de los equipos de granallado modernos, las municiones son lanzadas por álabes o paletas que giran a un número muy alto de revoluciones. Estas son llamadas Ruedas Abrasivas, a las cuales nosotros, por comodidad, llamaremos "Turbinas" a lo largo de este trabajo, por el simple hecho de que así son llamadas dentro del recinto de la empresa por todos los trabajadores que se desempeñan en esta área, aunque sabemos que no cumplen con todas las características que envuelve este nombre. El estudio que se hace a continuación, es válido para partículas que viajen a una velocidad que se encuentra en el orden de 20 y 100 mts/seg. A estas velocidades, las partículas causan corte e indentación Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

53

en la superficie bombardeada, llegando las mismas a un estado de esfuerzos que se encuentran dentro del rango plástico. El mecanismo por el cual las granallas erosionan la superficie, es llamado abrasión, principalmente asociado con ángulos pequeños de ataque ó choque. En tanto, que el choque y la ruptura de la capa superficial traen como consecuencia el endurecimiento por deformación y hendiduras de tipo frágil que ocurren generalmente para grandes ángulos de ataque. Este ángulo es el que forma la trayectoria de la partícula con respecto al plano de choque, y es también llamado ángulo de impacto. La abrasión es algunas veces asociada indistintamente con la erosión, de esta forma las partículas erosivas son frecuentemente referidas como abrasivos. La fatiga de la superficie juega un papel secundario y por lo tanto no será estudiado. La primera investigación sistemática fue realizada por Wellinger, Vetz y sus colegas (Ref. 3), los cuales encontraron una fuerte relación entre la erosión y el ángulo de ataque; así como también, la dureza de la superficie bombardeada, en relación con la dureza de las partículas abrasivas. La erosión de aceros suaves es máxima para ángulos pequeños, mientras que para los duros la máxima erosión ocurre para ángulos de choque casi perpendiculares o normales sobre la superficie. Se puede Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

54

demostrar que para los metales dúctiles, la máxima erosión ocurre para ángulos de choque de aproximadamente 20 grados. De acuerdo a esto la erosión total es atribuida a dos mecanismos como son el desgaste debido al roce y a la fricción, y el desgaste debido al choque.

Teoría del corte erosivo Este comportamiento fue originalmente modelado por Finnie y sus colegas (Ref. 4) en 1958, introduciendo la teoría del corte erosivo, el cual explica muchos aspectos de la erosión de materiales dúctiles bajo la acción de un flujo de partículas de forma más o menos angular. La teoría asume que una partícula angular dura, impactando sobre una superficie lisa a un determinado ángulo de ataque β, cortará la misma como si fuera una herramienta de filo. La ductilidad de un material significa su habilidad para fluir plásticamente durante el proceso de corte. Tomando en cuenta el volumen removido de la superficie de choque por la acción mecánica de una simple partícula de masa m, consecuencias similares tienen lugar cuando se incrementa el desgaste debido a la acción de un gran cantidad de partículas que constituyen una masa total M. La siguiente figura muestra la partícula incidente que hace el efecto de una punta, arando la superficie dúctil y siguiendo una trayectoria (x t , zt). A lo largo del impacto, se asume un movimiento Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

55

plano en donde el centro de masa (C.M.) se traslada una distancia ( x , z ) y rota un ángulo (0). La punta en este momento empuja el material y forma una viruta en frente de ella. El área de contacto con la viruta tiene una proyección vertical R, el cuál está dado por una anchura b (a lo largo de la cuál, la presión de flujo p actúa horizontalmente), y una altura L, es decir, A = b L. Puesto que todos los cortes erosivos son superficiales, el movimiento de la punta puede ser simplemente relacionado con el movimiento (x , z , 0) de el centro de masa: x t = x + r 0, y z t = z.

Fig, 1.- Partícula incidente erosiva vista en dos dimensiones cortando a través de una superficie dúctil y a un ángulo de ataque β (a) Geometría del corte; (b) Fuerzas de contacto actuando sobre la partícula durante el corte.

La relación entre las componentes de fuerza de contacto horizontal y vertical, P y F, se asume como un valor constante durante el Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

56

impacto,

P L

= c = ctte. Entretanto F = Ap, o introduciendo

ce

=

L Z t

, se obtiene

F = L b p = ce z t b p. Las tres ecuaciones del movimiento plano, sin tomar en cuenta el momento de P alrededor del centro de masa por considerarse muy pequeño, están dadas por:

Λ

m

x

m

z

+ b p z

Λ

Λ

I φ

+

+

ce

ce

(1)

= 0

(2)

= 0

b p c z

(3)

= 0

b p r z

donde I es el momento de inercia rotatorio de la masa de la partícula alrededor del centro de masa. Las condiciones iniciales del impacto son: t = 0: x = z = 0 = 0 X = V COSβ, Z = V SINβ, 0 = 00 (Velocidad angular inicial de la

(4)

partícula)

La solución de el sistema de ecuaciones diferenciales (1,2,3) es: x =

Vsin β sin Ψ c

Ψ

t

+ ( V cos

β

) t −

V

sin c

β

t


(5)

57

z =

V sin Ψ

0 =

m r V sin Ψ c I

β

Ψ

sin

β

(6)

t

(sin

Ψ

t

− Ψ

t )

+ 0

0

(7)

t

donde se introduce el valor de :

ce p b c ⎞ Ψ = ⎛ ⎜ ⎟ m ⎝ ⎠

1/ 2

(8)

Básicamente se tienen dos tipos de procesas de corte: a) El corte realizado por la partícula dentro de la superficie dúctil, y posteriormente sale de ella cuando Zt se hace cero. b) La partícula se detiene a cierta profundidad durante el proceso

de

encavado

y

su

energía

cinética

de

esta

forma queda agotada. En el primer caso, podemos conseguir la duración del impacto t*, por la Ec. (6), sin ¥t* = O y por consiguiente ¥t*=

Π

(9)

Para el otro caso, la partícula se detiene en un tiempo pequeño, Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

58

calculado por la ecuación x t = x + r 0 = 0 . Utilizando las soluciones (5) y m r 2 y 00 = 0 , resulta: (7), y la aproximación I ≈ 2 cos

Ψ t * = 1 -

c 3 tan β

(10)

Se debe notar que las condiciones (9) y (10) son idénticas cuando β =

β0 = tan-1 (c/6). Este ángulo de incidencia separa los dos tipos de procesos de corte. El volumen removido debido al desgaste realizado por la partícula de masa m es:

w = b

t*

∫ 0

t*

z dx t = b ∫ 0 z

(11

d(x + r0)

Esta integral puede ser resuelta puesto que z(t), n(t) y 0(t) son conocidas a través de las ecuaciones (5), (6) y (7). El desgaste total debido a la inclusión de partículas similares que conforman la masa M, puede ser obtenido si multiplicamos W por M/m. Para el caso (a) cuando las partículas rebotan ( M V 2 w = (sin ce p c

2 β −

6 c

sin

2

β

0)

se obtiene:

(12)

Para el caso (b) cuando las partículas se paran ( β ≥ β0), resulta: Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

59

M V 2 ⎛ w = ⎜ sin ce p c ⎝

2 β −

6 c

2

sin

β

⎞ ⎟ ⎠

(13)

Para máxima erosión, se puede obtener B de la ecuación dW = dβ

0,

dada de la siguiente manera:

β max

1 c = tan −1 , la cual representa la 2 3

región de rebote para ángulos pequeños puesto que βmáx < β0 . La determinación de c = P/F de las pruebas de erosión, es muy difícil de conocer, pero las fuerzas F y P aparecen en dos procesos abrasivos similares (llamados prueba de dureza al desgarre y el otro de esmerilado de superficie) y cuyos valores de c son muy parecidos (Ref. 5). De este modo un valor de c = 2, es el número que representa el comportamiento de estos dos procesos, además que también se justifica su uso para el corte erosivo. Por otro lado, un valor de ce = 2 fue tomado de las experimentaciones del corte de metales (Ref. 6). Esta prueba arrojó también resultados tales como β0=18.43°.

β max

= 16.84° , y

Ahora con estos valores, las expresiones de erosión tienen

esta forma:

M V w = 2

2

⎛ sin ⎜⎜ ⎝

2 β − 3 sin 2

2

β

⎞ ⎟⎟ ; 0 < β ≤ β 0 ⎠

(14)

y


60

M V w = 2

2

1 ⎛ cos 2 β ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ; β 0 ≤ β < 90 ° 6 ⎠ p ⎝

(15)

Es de hacer notar que conjuntamente con la comprensión del significado del volumen total removido, W ocasionalmente está expresado en unidades de peso ó también está dado en peso de material removido por peso de partículas erosivas, etc.

Escribiendo

W =

MV 2

1

2

p

, f (β), la función f (β) está representada en la

siguiente figura

Fig. 2.- Predicción de la variación del volumen removido con respecto al ángulo para una granalla de abrasivo Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

61

simple. Son representados los puntos experimentales para erosión provocada por muchos granos ( Δ cobre, Acero SAE 1020, O Aluminio). Como se puede observar la máxima erosión es la misma en todos los casos correspondiente a un ángulo de aproximadamente 20 grados. Gráfica obtenida por Finnie [15].

La dependencia de la velocidad en las Ec. (14) y (15) es W ≈V2, el cual ligeramente subestima el valor del exponente de velocidad; experimentalmente, 2.4 es cercano al valor promedio encontrado para la erosión dúctil. Otro factor importante es la forma de las partículas; las esféricas producen menos erosión que las angulares siendo ambas del mismo material. Esto fué demostrado utilizando varios tipos de granos de arena, conservando el ángulo β = 45 grados (Ref. 5). La teoría del corte erosivo (Ec. 12 y 13) se podría acomodar para un cambio en la forma de la partícula a través de los parámetros c y ce. Mientras que las derivaciones de las Ec. 12 y 13 no son estrictamente válidas para partículas esféricas, un aumento del radio de curvatura de la punta cortante hace que aumente también el valor de c. Por observaciones experimentales ha sido confirmado un incremento del ángulo βmax cuando granallas redondas son utilizadas ( βmax = 28 grados) en comparación con partículas filosas del mismo acero, siendo βmax - 17 grados (Ref. 7).

Teoría combinada de la erosión: El análisis clásico de Bitter (Ref. 8), describe el mecanismo de la Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

62

erosión en dos procesos simultáneos: a) Desgaste debido a la deformación, b) Desgaste debido al corte.

El primero es atribuido a la repetitiva deformación sostenida en colisiones; mientras que el segundo está referido al corte erosivo dúctil. La aproximación de Bitter está basada en el cálculo de la energía plástica de disipación Up, proveniente de los parámetros de impacto de una partícula erosiva simple. El desgaste, como consecuencia, se postula igual a la energía de disipación dividida por un factor de desgaste, el cuál es una propiedad del material, que significa la cantidad de energía necesaria para remover una unidad de volumen de material. Aplicando el subíndice c y d para referirse al corte y a la deformación respectivamente, tenemos:

Wc =

Uc

(16)

0

y,

Vd Wd = Ω

(17)

siendo 0 y Ω los respectivos factores de desgaste. Para ambos Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

63

tipos de desgaste tanto a corte como deformación, se asume que la componente normal de la velocidad de impacto U n es más grande que el ualor Uel = K 1 para el cuál la teoría de Hertz sostiene que la presión máxima es igual al esfuerzo de cedencia del material, es decir, q0 = ∂y respectivamente. Para una partícula esférica de densidad de masa μ p, K1 es una constante dada para un material de superficie erosionada; y se define por:

K 1 = 15 . 40 ∂ y 5 / 2 μ p − 1 / 2 E r − 2

(18)

donde: Er : módulo reducido, y que está dado como:

⎛ 1 − ς 12 1 − ς 22 ⎞ ⎟⎟ + E r = ⎜⎜ π E 2 ⎠ ⎝ π E 1

−1

donde:

ς1 y E1 son el módulo de Poisson y elasticidad de la partícula respectivamente.

ς2 y E2 son el módulo de Poisson y elasticidad de la superficie impactante respectivamente.

DESGASTE POR DEFORMACIÓN:


64

Consideremos la colisión de una esfera elástica (m,R) contra un plano el cuál se deforma elástica y plásticamente. La aproximación elástica en el momento en que la presión pico alcanza el valor ∂y (fig. 3a) es, por la teoría de Hertzt (Físico alemán que estudió el impacto entre materiales y que dedujo una serie de fórmulas que se conocen hoy en día como su nombre y de las cuáles se puede obtener la fuerza de impacto, la duración ó tiempo del impacto, la penetración, el área de impacto y la presión ejercida por la partícula sobre la superficie):

Z el = 24 . 35 ∂ y 2 RE r − 2

(19)

Fig. 3. Distribución de presiones y deformaciones en el área de contacto. (a) Impacto elástico; (b) Impacto elasto-plástico. Tomado de Bitter (Ref. 8).


65

Ahora se asume por simplicidad, señalar lo que corresponde al salto del régimen elástico al plástico. Después de incrementar la carga (Fig. 3b), la presión plástica se incrementa hasta ∂y sobre el radio r p, mientras que el contacto se extiende hasta r t. La aproximación total del centro de gravedad esta dada como la suma de un desplazamiento elástico y otro plástico: Z = Zel + Z pl Como rp « R, puede ser claramente establecida la suposición de igual desplazamiento compresivo de la esfera en toda el área interna de la cavidad plástica (0 < r< r p). Esto significa que el radio de curvatura en la esfera y el plano deformado es aproximadamente igual a R. El área de contacto total está dada aproximadamente por π r t2 = 2

π R (z el + z p| ); el área plástica es π r p2= 2 π R Zpl . De esta forma el área cargada elásticamente es: π

r t2 − π r p2 = 2 π R (Z el + Z pl ) − 2 π R Z pl = 2 π R Z el = π r e2 el cuál es de esta manera independiente de él tamaño de la

índentación. La energía elástica de deformación U e en esta área debe m Vel2 ser . La energía potencial de la deformación elástica z el debido a 2

la carga π r p2 ∂y en el área plástica es U pe = 1 π r p2∂y z el . De esta forma, 2


66

la energía total elástica almacenada en la esfera y en el plano en el momento de máximo impacto es:

U

e

+ U pe =

1 1 2 π V el2 + π r pmax ∂ y z el 2 2

Esta energía es devuelta a la partícula en forma de energía cinética al final del impacto a través de

m V 2

2 n

. En donde U n es la

componente normal de la velocidad de rebote, U. La deformación plástica permanente requiere de la siguiente energía: z max

Up

=

∫

π r p2 ∂ ydz

pl

≈

π Rz

max

2 ∂ y

0

en donde,

r p2 = 2 R z pl Zmax, es la máxima profundidad de indentación permanente. Up es la energía disipada.


67

Escribiendo el balance de energía del impacto: 1 m Vn2 = Ve + V pe + V p 2

Por el uso de las Ec. 18 y 19, se hace un arreglo y queda expresado de la siguiente forma:

1 2 mV n = U e + 3.75U pU e + U p = ( 2

U e

+

U p

) − 0.0635* 2

U pU e

Despreciando ahora el último término del lado derecho por ser muy pequeño, U p queda asi:

U p

⎛ = ⎜⎜ ⎝

1 2

mU

2 n

−

⎞ U e ⎟ ⎟ ⎠

2

≈

1 2

m (U n

−

K 1

)2

De esta forma, el desgaste por deformación para cualquier masa M que constituye una cantidad de partículas erosivas, puede ser obtenida por la definición de la Ec. 17 como:

(1/ 2) M (U sin β − K 1 )2 W d = Ω


68

DESGASTE POR CORTE:

Exísten dos posibilidades para el proceso de corte: si β < βo la partícula incidente sale de la superficie con una velocidad promedio U p distinta de cero después del corte. En el caso opuesto, β>β0, Up = 0. Para el primer caso ( β<β0), el desgaste por corte está dado por:

Wc1

= 2 M

C (U sin β − K 1 ) U sin β

2

2 ⎛ C (U sin β − K 1 ) ⎞ ⎜U cos β − 0 ⎟⎟ ⎜ U sin β ⎝ ⎠

donde:

0.288 ( μ p / ∂ y )1 / 4 C = ∂ y 0 = factor de desgaste Para el segundo caso ( β>β0), la fórmula de desgaste al corte es:

(1/ 2) M (V 2 cos β 2 − K 2 (V sinβ − K 1)3 / 2 Wc2 = 0 donde Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

69

K 2

= 8 . 093 ∂ y2 Er

−2

( ∂ y / μ p ) 1 / 4

La siguiente figura muestra soluciones típicas de las ecuaciones anteriores para un material dúctil. En ella Wc = Wc 1 o Wc 2. El desgaste total que sufre la superficie es Wt = Wd + Wc. Del análisis de Bitter, se puede obtener como conclusión que el "desgaste por corte", domina a bajos ángulos, y el "desgaste a la deformación", domina para grandes ángulos. Además, como se puede apreciar en la figura, la máxima erosión está dada básicamente por el corte que hace la partícula sobre la superficie. Tilly y sus colaboradores (Ref. 9) describieron el proceso en dos etapas por lo cuál, las partículas, en

vez

de ser rígidas, producen

erosión por impacto y luego se fragmentan para producir erosión adicional. La fragmentación y el flujo superficial de las partículas fragmentadas causan la erosión a 90 grados, de acuerdo con Tilly, y puede ser utilizado para explicar la dependencia de la erosión con respecto a la velocidad en un exponente tan grande como 2 según observaciones experimentales, es decir, W ∞ V2 (la erosión es proporcional a la velocidad al cuadrado). Numerosos investigadores, par ejemplo, han mostrado exponentes de velocidad de 2.3 y más grandes, y un incremento de la fragmentación para altas velocidades fue utilizado para explicar esto. Esta fragmentación incluye el efecto Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

70

del

tamaño

de

la

partícula,

el

cuál

ha

sido

observado

experimentalmente que las grandes son más propensas a fragmentarse y producir daño adicional, más que las pequeñas. El balance de energía entre la energía cinética de la partícula y el trabajo empleado durante la indentación plástica, forma la base para el modelo de Sheldon y Kanhere (Ref. 10), quienes relacionan la resistencia a la erosión del material (a 90 grados de impacto) con su dureza Vickers con un rango entre

2

y 3 como exponente de la máxima

penetración de la partícula, es decir, W ∞ Zoc (el desgaste por erosión es proporcional a la máxima penetración elevado al exponente c). Ambos autores trabajaron con materiales de acero recocidos y trabajados en frío. Se encontró que para un ángulo de choque de 20 grados, el material impactado tiende a fluir desde el frente hasta el costado del proyectil; en donde, si la magnitud del esfuerzo es excesivo, tiende a haber perdida de material. Una pequeña cantidad del mismo, pero menos que la removida del cráter, fue amontonada en frente del material recocido; mientras que para el trabajado en frío, el material empujado tiende a desprenderse más pronto. De los resultados de estos experimentos se concluye que el material fue encavado por la partícula y luego en segunda instancia la misma sale haciendo el efecto de arado; además la cantidad de material Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

71

removido sería cercanamente proporcional al volumen del cráter dejado. El mecanismo de material removido por partículas esféricas, fue estudiado por Hutchings, Winter y Field [Ref. 11). En este caso la fragmentación de la partícula es evitada, y la forma de la misma es fácilmente manejada por modelos matemáticos. Las deformaciones del material debido a la acción de arado por parte de la partícula tiene como consecuencia la formación de un cráter y además la aglomeración de material alrededor de este, que tiene una forma muy parecida a un labio, tal y como se puede apreciar en la siguiente figura:

Se sostiene que la remoción de material es debida a dos causas, a las fuerzas adhesivas que existen entre el labio del material removido y la partícula esférica en si, o también debido a tas deformaciones elevadas en el proceso de extrusión. Este proceso de extrusión tiene lugar cuando la superficie es bombardeada constantemente, produciendo intensivas


72

deformaciones a cortante, lo cuál resulta en la extrusión de un pronunciado labio alrededor de la huella que deja la partícula. Por verificaciones experimentales fue deducido que el tamaño del indentador puede ser medido sin ningún efecto en la predicción de la erosión. Dos criterios básicos fueron satisfechos: a) La predicción del tamaño de cráter, b) EL mecanismo del levantamiento del labio en la periferia. El volumen del cráter W es básicamente proporcional a la energía cinética incidente. Fue encontrado que para un cierto ángulo de ataque β, una velocidad crítica Vcr puede ser hallada, por lo cual el labio sería removido durante el impacto. Para β = 30 grados ocurre la mayor cantidad de erosión según los resultados de Hutchings. Una importante conclusión en este estudio, fue que los labios del cráter constituyen la mayor parte de la masa removida. Además, por encima de la velocidad crítica los labios se separarían del cráter, pero por debajo no lo harían, pero debido a los repetidos impactos estos serían fácilmente desprendidos.


73

La suposición que contrasta con el análisis de Hutchings con respecto a la de Finnie es una presión de cedencia constante actuando sobre el área de la partícula, la cual deforma plásticamente el substrato, permitiendo un continuo cambio del vector fuerza durante el impacto. Por conclusión final, de todas estas teorías se puede resumir que los factores más importantes a tomar en cuenta en el proceso de granallado son los siguientes: a) Existen dos tipos de partículas abrasivas, una es la que

tiene forma angular y la otra, que es de forma esférica; cada

una

de

ellas

erosiona

la

superficie

de

distinta

manera debido a su forma geométrica. b) Si la dureza de la granalla es mayor que la de la superficie

impactante, la rata de erosión se hace mayor (Ec. 1). c) Gran angularidad en la granalla tiende a disminuir el valor de c = P/F , por lo cuál también ocurre lo mismo con el ángulo de máxima erosión βmax (Ec. 12). d) El ángulo de máxima erosión para los aceros dúctiles es de 20° , siendo los ángulos cercanos a 90°, los que presentan menor erosión sobre la superficie metálica. e) Para los aceros frágiles, ocurre totalmente lo contrario, siendo el ángulo de máxima erosión a 90°.


74

Formas de optimizar el proceso de granallado: La economía y el rendimiento de las operaciones de granallado son principalmente una función de el abrasivo utilizado, siempre que el ángulo utilizado sea el óptimo y la velocidad suficiente. Para atenerse a una máxima economía y eficiencia, es importante seleccionar el tamaño y tipo de abrasivo apropiado para cada trabajo. El valor (en cuanto a su utilidad) de cualquier abrasivo se determina por el balance de tres factores: a) La

cantidad de trabajo que este logre en una cantidad

dada de tiempo; b) La calidad del trabajo producido; c) El costo de ejecutar una cantidad dada de trabajo.

El balance de estos factores es vital. Algunos abrasivos limpian muy rápidamente, dan un buen acabado, tienen un precio unitario bajo y sin embargo su uso esta limitado por los altos costos operativos. Esto es causado por el consumo excesivo de abrasivo y el desgaste prematuro de las partes, lo que genera costos de mantenimiento altos y por consiguiente un mayor número de horas en las cuales el equipo esta detenido. Para ser verdaderamente eficiente, un abrasivo debe limpiar Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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rápidamente, producir un acabado de alta calidad y hacer ambas cosas dentro de un costo mínimo de operación. Los tres factores principales que determinan si un abrasivo cumple con estos requerimientos son: a) Las características de fragmentación del abrasivo, b) su dureza, y c) su tamaño.

LAS CARACTERISTICAS DE FRAGMENTACIN del abrasivo son de vital importancia en la determinación del rendimiento y la economía del proceso de limpieza. Estas tienen una gran influencia en el costo del abrasivo, el desgaste de las partes, los costos de mantenimiento, y el acabado impartido en la operación de granallado. La fragmentación ocurre al ser fatigado el material de la munición, hasta fracturarse en pedazos. En otras palabras, en el momento del impacto, las municiones están sometidas a grandes esfuerzos, los cuales causan disminuciones considerables en su resistencia a la fatiga. Con el reciclaje continuo y los frecuentes impactos llega un momento en el que las municiones están fatigadas y literalmente 'estallan' en dos o mas partículas de menor tamaño. Los impactos sucesivos de este abrasivo a medida que va siendo recirculado por el sistema, va causando mas explosiones y por consiguiente la formación de partículas de mucho menor tamaño que no son ya utilizables en el proceso de limpieza. Estas pequeñas Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

76

partículas son eliminadas por un mecanismo separador. Cada tipo de abrasivo, debido a su estructura básica (derivada de la química, la metalurgia y su proceso de fabricación) tiene características de fatiga propias que son las que gobiernan sus cualidades de fragmentación durante el proceso de limpieza. El siguiente dibujo es una representación del proceso de fragmentación por choques sucesivos, aunque realmente entre una y otra fragmentación hay un cierto número de choques que son los que causan esta fatiga:

Por las explicaciones teóricas antes mencionadas, se tiene que la mayor rata de desgaste {tanto en las partes de los equipos como en la Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

77

superficie a limpiar), ocurre cuando las partículas de abrasivo son de forma irregular, presentando filos y puntas. Existen, como ya dijimos, 2 tipos de abrasivos, estos son: a) esféricos (shot), b) angulares (grit).

A mayor cantidad de abrasivo angular en la mezcla, mayor velocidad de limpieza, y a su vez la superficie limpiada presenta un mayor anclaje. Como el anclaje es determinado por la profundidad medida en micras de las cavidades abiertas por la granalla, mientras mayor sea este, mejor es la adherencia de la pintura a la superficie, pero a su vez mayor es la cantidad de pintura necesaria para revestir la misma área, lo que implica un mayor costo, razón por la cual es necesario encontrar un balance en que se logre una buena fijación de la pintura y se utilice la menor cantidad posible de la misma. El anclaje requerido en una superficie esta determinado por el tipo de revestimiento que esta va a llevar el cual a su vez depende de el trato o las condiciones a las cuales va a estar sometido, ya que no todas las pinturas tienen las mismas características de adherencia ni de resistencia. Cuando la granalla 'choca' contra la superficie, después de un número sustancial de choques y debido a la fatiga del material abrasivo, esta se fractura en pedazos de menor tamaño y de forma irregular (el punto es Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

78

que esta fragmentación no ocurre con cada impacto). Una vez que estalla, las siguientes veces que es lanzada va simplemente perdiendo sus filos y adquiriendo una forma redondeada hasta volver a partirse. Lo que se quiere dar a entender con esto, es que si se utiliza solo granalla de forma angular, una vez que esta circule se va a tener una mezcla de granalla angular con granalla esférica. Del mismo modo, si no ocurriese la fractura de las partículas, después de recircular todo el abrasivo, sólo se tuvieran municiones esféricas y ninguna angular, así la mezcla original fuera solo de granalla angular. Debido a que la rata de fragmentación de un abrasivo determina el número de nuevas esquinas y filos que se forman en una mezcla, esta también es un factor importante en la vida del mismo. Basándose en esto se puede ver que los mayores beneficios se obtienen utilizando la granalla de mayor periodo de vida que se consiga, con lo cual llegamos al segundo punto: LA DUREZA de un abrasivo afecta también la velocidad de limpieza, la vida del mismo y el acabada impartido a la superficie. Cuando las partículas de granalla moviéndose a gran velocidad, golpean la superficie, la energía cinética que tienen (que adquirieron por la centrifugación en la 'turbina') puede ser disipada de muchas maneras. Lo ideal fuera que toda esa energía cinética fuese entregada a la superficie de trabajo en el impacto, realizando así su función de eliminar el óxido, la arena, el polvo y otros contaminantes. Hay aplicaciones en las Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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cuales esta energía se utiliza para causar esfuerzos de compresión debajo de la superficie del material para poder atribuirle mayor resistencia. La fuerza instantánea producida en el impacto es tan grande que el limite de fluencia de la granalla es constantemente sobrepasado. Debido a esto, una buena parte de la energía es disipada en deformaciones permanentes ocasionadas en el propio abrasivo. En este caso esta energía se considera perdida ya que no realiza ninguna función útil. Basándonos en todo lo expuesto anteriormente podemos ver que la cantidad de energía disipada o desperdiciada está determinada en gran parte por la dureza del abrasivo. Dureza por definición es la "resistencia a la deformación". Por tanto a mayor dureza, mayor es la resistencia a la deformación y en consecuencia mayor es el porcentaje de energía que se transmite a la superficie de trabajo. La selección del tamaño del abrasivo que se va a utilizar en una operación dada no es fácil de hacer debido a la gran cantidad de factores desconocidas que afectan los resultados. Sin embargo hay algunos factores que nos ayudan a hacer de esta selección algo un poco mas preciso que una simple adivinanza. Principalmente hay dos factores que deben ser considerados: a) El impacto que causa la masa de partículas más grandes, b) La cobertura que proporciona la mezcla.


80

La cobertura es importante para la velocidad de limpieza, razón por la cual se deben utilizar las partículas de menor tamaño que lograrán eliminar los contaminantes de los lugares mas difíciles. Por ejemplo, si la granalla S-460 es lo suficientemente grande para limpiar toda la superficie, entonces una mezcla de S-460 va a realizar esta limpieza mucho más rápido y mejor que una mezcla de cualquier tamaño mayor (S-660 por ejemplo) debido a su mayor cobertura. Se quiere aclarar que se utiliza la palabra ‘mezcla’ aunque se está utilizando un solo tipo de abrasivo porque una vez que comienza a lanzarse y a fracturarse se obtiene una ‘mezcla’ de varios tamaños. Solo cuando el material está completamente nuevo y sin utilizarse puede decir que todas las partículas tiene el mismo diámetro. Sin embargo, la mezcla no es solo en diámetros sino también en formas, ya que por la misma razón anterior se va a encontrar siempre la granalla angular y la esférica en uso simultáneo. Si se utiliza todo el tiempo el mismo tipo de abrasivo, el consumo del mismo en cualquier operación de limpieza está determinado principalmente por el tamaño al cual se remueve del sistema y no por el tamaño del abrasivo nuevo que se agrega. Así, el consumo de S-460, S-230, o S-170 va a ser el mismo en operaciones de limpieza en las cuales el abrasivo es eliminado cuando tiene un diámetro de 0.0883 pulgadas. Solo si se cambia de tamaño. Si se cambia a un abrasivo de mayor dureza, habrá que disminuir el tamaño del mismo para Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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que se mantenga el mismo rango de tamaños en la mezcla y por lo tanto obtener el mismo acabado en la superficie. A menor tamaño del abrasivo, mayor número de impactos se producen contra la superficie a limpiar, ya que hay mayor número de partículas por unidad de masa, y este número de impactos a su vez aumenta en la mezcla en si. Esto se puede apreciar claramente en el siguiente cuadro:

PROMEDIO DEL NUMERO DE IMPACTOS POR LIBRA DE ABRASIVO SEGÚN EL TAMAÑO DEL MISMO S-780 S660 11400 19200

S-390 S-

S-

S-

550

330 460 MRTER IAL

32000 55000

9678 0

77680

240400

NÚ E V O

93000 153000 250000 420000

MEZCLA 50860

S-280 S-230

280300

S-

S-110

170

120000

340000

0

0

OPERATIVA

708860

741515

216400 335300

468000

0

0

0

0

Las mezclas eficientes de abrasivos deben contener municiones grandes, medianas y pequeñas. Las grandes disturban la superficie aflojando los contaminantes, y las pequeñas arrancan esos contaminantes. Estas municiones pequeñas también proporcionan una cobertura grande, incrementando así la velocidad de limpieza como ya se explicó Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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anteriormente.

A pesar de la similaridad superficial, existe una gran diferencia entre los abrasivos. Las diferencias en las características de fragmentación acarrean diferencias en: a) Acabado impartido a la superficie, b) Desgaste de las partes y costos de mantenimiento. c) El casto de abrasivo.


83

CAPÍTULO III PARTES QUE CONFORMAN LA MÁQUINA GRANALLADORA El sistema de limpieza centrifugo [o granalladora), incorpora siete sub-sistemas básicos, estos son: a) Unidades de Turbinas. b) La Cabina. c) Sistema de recirculación del abrasivo d) Sistema de limpieza. e) Recolector de polvo.

f) Sistema de transporte. g) Sistema de Instrumentación y Control. Lo que se expone a continuación es un resumen de las características de cada uno de estos sub-sistemas. Se abarcaran en mayor profundidad en el tercer tomo de este proyecto.

a) Unidades de Turbinas: Los álabes de las turbinas lanzan el abrasivo por fuerza centrifuga en una dirección especifica y con una fuerza determinada, y además a una velocidad y cantidad controlada. Para la preparación de la superficie de acero, las máquinas de limpieza generalmente utilizan varias unidades de turbinas, colocadas de forma tal que el abrasivo pueda Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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abarcar toda la superficie a ser limpiada. El número de turbinas montadas en la máquina depende del tamaño y de la complejidad del trabajo a ser realizado. Deben ser instalados un número suficiente de turbinas para que el tubo pueda ser limpiado por la máquina en una sola pasada y a una velocidad lineal razonable (rata de producción lo más alta posible). Es por ello que para limpiar adecuadamente los tubos, es necesario utilizar un mínimo de dos unidades de ‘turbinas’, ya que de esta forma se satisfacen las condiciones anteriores. Cada turbina lanza el abrasivo en forma de abanico, el cual tiene aproximadamente 3 o 4 pulgadas de ancho y entre 30 y 36 pulgadas de longitud (distancia que existe entre las ‘turbinas’ y la superficie de la pieza a limpiar). En la zona de abanico existe una región dentro de sí en donde ocurre la mayor cantidad de erosión de la superficie metálica y que es llamada ‘Hot Spot’; en ella ocurre la erosión para ángulos de aproximadamente 90°, y tiene lugar el excamado de la capa de óxido, que cae por impacto ya que es un material frágil. Luego fuera de esta región, para ángulos más pequeños, ocurre la erosión de la superficie metálica para poderla dejar en lo que se llama metal blanco (White metal), por supuesto una vez que se ha desprendido la capa de óxido. La velocidad del abrasivo lanzado es una función del diámetro de la turbina (medido hasta el tope de los álabes), la longitud y perfil de la cara del álabe, y la velocidad a la cuál la turbina está rotando. La cantidad de abrasivo lanzado a una determinada velocidad está regulado por la potencia del Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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motor de la turbina. Las turbinas disponen de varios componentes que cumplen una función muy importante y que son necesarios para obtener un buen rendimiento, estos son: El impeler o dosificador, provee una distribución uniforme del abrasivo a los álabes. Para un apropiado funcionamiento de la turbina, cada segmento del dosificador debe adelantar a los álabes por un espaciamiento de aproximadamente 1/4". El mismo es esencial para una apropiada alimentación de abrasivo a los álabes, para incrementar la vida de los mismos y mejorar los resultados de limpieza. Los álabes se encargan de lanzar el abrasivo contra la superficie a ser limpiada, mediante fuerza centrífuga. Para asegurar que no van a ocurrir vibraciones, los álabes deben estar perfectamente balanceados, ya que de esta forma se prolonga por mucho tiempo la vida útil de los cojinetes. El tamaño de los álabes debe ser uniforme para que puedan encajar sin problemas en la rueda aceptadora de álabes, de esta forma se ahorra tiempo en el mantenimiento cada vez que se tiene que hacer un reemplazo, garantizando así mismo lo indicado en el punto Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

86

anterior. Los álabes están totalmente dimensionados para no permitir espacios perjudiciales y de esta forma proteger las paredes de las turbinas del desgaste abrasivo. Son fundidos con metal sumamente resistente al desgaste, tratados térmicamente bajo condiciones rígidas bien controladas a fin de aumentar aún más su resistencia al desgaste, y por último inspeccionados para eliminar agrietamientos y defectos superficiales. La jaula de control es utilizada para tener un control de la dirección precisa del abrasivo. De esta forma no ocurre el desgaste prematuro de las paredes internas del gabinete y del sistema de rodillos que transporta la tubería. Para mantener fija esta parte de la turbina es necesario disponer de un anillo de fijación que a la vez está unido al adaptador de la jaula de control mediante dos soportes. La incorrecta posición del controlador causa largos ciclos de granallado y acelera el desgaste en las láminas que cubren las turbinas, las cuales son de un acero resistente a la abrasión.

b) La Cabina: La cámara interna de la máquina contiene abrasivos moviéndose a altas velocidades y polvo generado por el proceso de limpieza. La Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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ventilación asegura que la presión de aire dentro de la máquina es más pequeña que la presión de aire ambiente, de esta forma el polvo no puede escapar para áreas de trabajo adyacentes y es recogido en el recolector. Las aberturas de entrada y salida de tuberías están equipadas con sellos para prevenir la salida de abrasivos que escapan de la máquina. El gabinete, que es construido generalmente con un acero de bajo contenido de carbono, es usualmente recubierto por dentro con materiales que son resistentes a la abrasión y que están generalmente hechos de goma, componentes sintéticos, planchas especiales aleadas, o ambos. Este recubrimiento debe realizarse en la totalidad de la máquina, y en caso de no ser posible debido a los costos, es absolutamente necesario que exista en las áreas donde hay contacto directo de las ráfagas de granalla provenientes de las turbinas. La cabina consta de los ‘Vestíbulos’, y el ‘Embudo’ Los ‘Vestíbulos son las puertas de entrada y salida del tubo a la máquina, y a su vez son unas trampas o laberintos diseñados para que la granalla no salga de la cabina durante el proceso de limpieza. Estos vestíbulos deben estar provistos de un sistema de puertas que permitan limpiar tuberías de diferentes diámetros (esto es, desde 16 hasta 72 pulgadas).


88

El ‘Embudo’ es simplemente la forma que adopta la cabina abajo para lograr almacenar todo el abrasivo en un punto donde el tornillo sin fin lo recoje y se lo entrega al ‘Elevador de Cangilones’.

c) Sistema de Recirculación (Elevador de Cangilones) (Ref. 12): Una vez que la granalla golpea la tubería, esta cae al fondo de la cabina y es trasladada hasta el Elevador de Cangilones mediante un tornillo sin fin dispuesto en el fondo del embudo (como ya se comentó anteriormente). Debido a que el elevador de cangilones es parte del diseño que abarca este Trabajo Especial de Grado, nos entenderemos un poco al hablar de éste, de manera de abarcar toda la teoría necesaria para su diseño. El proyecto de la instalación de una unidad de transporte debe tomar en cuenta ciertas variables principales tales como son: b) Material (tamaño, friabilidad, peso especifico, etc).

c) Capacidad a transportar d) Disposición general de la instalación, o sea, espacio

disponible,

edificios

existentes,

configuraciones

de

terreno, etc. e) Duración prevista para la instalación y condiciones de


89

trabajo de la misma (a la intemperie, con clima frío ó cálido, o bajo cubierta). Como el espacio en planta y en la máquina es restringido y el tonelaje por minuto de granalla a elevar hasta el depósito superior o abastecedor de las turbinas no es muy grande (2 ton/min), se decidió emplear como medio para transportar la granalla los elevadores de cangilones. Este valor de 2 ton/min viene a ser la capacidad que tienen las dos turbina sumadas (cada una maneja 1 ton/min). Dichos elevadores constan en esencia de: - Cangilones de transporte de material. - Un elemento sinfín o banda de goma sobre el cuál se fijan

los cangilones. - Un tambor motriz superior o de cabeza y un tambor inferior

o de pie cuyos ejes de giro están colocados generalmente en la misma vertical, o ligeramente desplazados. - Un grupo motorreductor de accionamiento del tambor motriz. - Una caja dentro de la cuál van situados el elemento sinfín o banda de

goma, los cangilones y tambores. En su parte superior lleva una boca o llamada también por los fabricantes "chute" de descarga y en la inferior la de carga.


90

FORMA

DE

LOS

CANGILONES

Y

MATERIAL

A

TRANSPORTAR La forma de los cangilones depende grandemente de los materiales a transportar, así como de la velocidad del elevador. La tabla 1 que se muestra en la página siguiente, extraída de las normas DIN 15230, muestra los tipos corrientemente empleados. Los materiales empleados en la fabricación suele ser de aceros altamente resistentes a la abrasión como es el acero al manganeso. Este es un acero austenítico que es relativamente suave, pero se endurece al trabajarlo superficialmente cuando se le somete a abrasión severa, por lo cual es en extremo útil para esta aplicación. En su forma fundida, esta aleación es parcialmente martensítica y, por tanto, es dura y quebradiza (Reí. 13). Con respecto al espaciamiento de los cangilones, éstos se colocarán más próximos conforme aumente la velocidad, puesto que el material sale despedido más radialmente. Otro factor importante es el coeficiente de llenado del cangilón, que se define como la relación del volumen real de llenado al volumen teórico del mismo.


91

Tabla N° 1


Un aspecto práctico importante es la sujeción del cangilón. Cuando la fijación es sobre banda, existen varios tipos de sujeción, pero una de las más eficaces es la que se indica en la figura 1:

92

Un aspecto práctico importante es la sujeción del cangilón. Cuando la fijación es sobre banda, existen varios tipos de sujeción, pero una de las más eficaces es la que se indica en la figura 1:

Fig. 1

Para materiales ligeros se emplea una sola fila de tornillos y en los pesados, dos filas, colocadas como se muestra en la siguiente figura 2:


93

Fig. 2

BANDAS Y CADENAS Los cangilones se sujetan regularmente espaciados sobre una banda de algodón y goma, o sobre una o dos cadenas, dependiendo la elección de uno u otro sistema de los materiales a transportar y de la velocidad. Los principales factores a tener en cuenta al elegir una banda


94

para elevador son: - Debilitamiento de la banda por las perforaciones de los pernos de fijación de los cangilones. - Erosión de la cara exterior de la banda, al incidir el material sobre ella en la zona de carga. - Acción cortante de la arista de la parte posterior del cangilón sobre la banda, al pasar por el tambor motriz. Las bandas corrientemente empleadas son las de 28,32, 36 y 42 onzas/duck (unidad de fuerza, en onzas, a soportar por cada duck, que en español significa literalmente "tela"), pero con igual resistencia en trama que en urdimbre, y las tensiones de trabajo no deben exceder los siguientes valores; ONZAS/DUCK

TENSIONES DE TRABAJO (Kg/cm K tela)

28

4,5

32

5,3

36

5,7

42

-

7,1

Otras consideraciones a tener en cuenta son: - Elección del número de telas en función del material; la siguiente tabla Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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puede ayudar a ello. ANCHO DE BANDA

Hasta 300 mm 300 – 500 500 – 800 Más de 800

MATERIALES MEDIOS, MATERIALES PESADOS TALES COMO CARBÓN Y ABRASIVOS, TALES COMO MINERAL EN TROZOS

4–5 5–6 6 7

5 6 7 8

DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO DEL TAMBOR Conocido el número de telas, determinaremos el diámetro del tambor motriz, para lo cuál sirven en general las recomendaciones de los fabricantes de bandas, pero también puede emplearse la siguiente tabla: DIÁMETRO MÍNIMO DEL TAMBOR 500 600 750 900 1100

# DE TELAS 4 5 6 7 8

Una regla práctica a emplear es: diámetro del tambor (mm) = Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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150 por el número de telas, la cual da valores algo mayores que los de la anterior tabla. El espesor de los recubrimientos de goma depende del tipo de unión a emplear para el cangilón, debiendo tenerse en cuenta que la cara en contacto con los tambores, es la que más se desgasta. La anchura de la banda se hace, generalmente, 50 mm. mayor que la anchura de los cangilones cuando éstos se colocan, cuando menos, en una sola fila que es lo habitual, pero en grandes elevadores se colocan das filas, desfasadas una respecto a la otra para dar más continuidad al llenado, en este caso el ancho de la banda será aún mayor.

JUNTAS O EMPALMES Los elevadores de cangilones tienen una longitud restringida para el tensado; ello obliga a más frecuentes empalmes que en una cinta transportadora. Por consiguiente, no es recomendable el empleo de juntas vulcanizadas, que son engorrosas de realizar y caras. Tampoco son recomendables los empalmes por grapas corrientes. Los siguientes sistemas se han acreditado por su sencillez y eficacia, los mismos se enumeran a continuación: Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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a] Junta por medio de tornillos y pletina. Esta junta es muy resistente, pera se limita su empleo a 5 telas (fig. 3) por adquirir demasiada rigidez.

Fig. 3 b) Junta con banda solapada en escalón discontinuo. Esta otra junta {fig. 4], se emplea mucho en elevadores para cereales y en elevadores de tipo continuo. No es recomendable cuando el espesor de la banda es grande por existir un escalón excesivo.

Fig. 4


98

c) Junta con banda solapada en escalón continuo. Es en general, muy eficaz, siendo su único defecto la tendencia del material a penetrar por la junta tope (Fig. 5); además hay que procurar que los cangilones queden todos en línea, para evitar el dragado irregular de los que sobresaldrían en la zona de Junta, si tuvieran todos la misma altura.

Fig. 5

DESCARGA

El siguiente cuadro sinóptico indica la clasificación de los elevadores con relación a la forma de descarga: De descarga periférica Cangilones espaciados Descarga por gravedad De descarga central De descarga periférica Cangilones continuos

Descarga centrífuga

Descarga periférica

(cangilones espaciados)


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Las figuras 6 a 9 muestran estos cuatro tipos de elevadores de cangilones. Fig. 6.- Descarga por gravedad periférica


100

Fig. 7.- Descarga por gravedad central Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

101

Fig. 8.- Descarga periférica, cangilones contínuos Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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Fig. 9.- Descarga centrífuga Seguidamente vamos a estudiar la descarga del material. Para ello, consideramos la figura 10, en la cuál se han dibujado diversos cangilones; en el número 1 sólo actúa el peso del material P contenido en el mismo. En los números 2, 3 y 4, actúa además la fuerza centrífuga Fo, dirigida en Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

103

sentido radial, la cual, al descomponerse con P, dará una resultante R que

Fig. 10. será función del ángulo que define la posición del cangilón. En el cangilón 2, vemos que R está dirigida hacia el fondo del mismo. Para el estudio de la descarga nos interesa considerar sólo los Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

104

cangilones 3 y 4. En el número 3, situado sobre la vertical, la resultante coincidirá con dicha vertical; en el caso límite, en el cual los materiales sueltos, tales como cereales, harina, etc., comiencen a fluir, se verifica cuando P = Fo, o sea: m Vt P 2 Vt2 = P= D g D 2

de donde:

V t 2

=

gD

Ec. 1

2

Puesto que:

V t =

π Dn

60

sustituyendo en la Ec. 1, resulta: π 2 D 2 n 2

60

2

=

gD

2

y finalmente:


105

n

=

42.5 D

Ec. 2

Esta es la relación que liga el número de r.p.m., con el diámetro D, expresado en metros, y que marca el límite aproximado entre la descarga centrífuga y la descarga por gravedad. Sustituyendo la Ec. 2, en la expresión que da V t resulta: Vt =

π D 42.5

60 D

= 2.22 D (m / seg )

Ec. 3

Cuando se reduce la velocidad por debajo de la que resulta de emplear la Ec. 2, la descarga se produce en algún punto situado en el primer cuadrante, tal como en la posición 4 del cangilón, definida por el ángulo B. Para que el material comience a desprenderse, tiene que verificarse que la fuerza centrífuga igual a la componente radial del peso del material, o sea: P 2 Vt2 P cos β = g D

Ec. 4

de donde: 2 Vt2 2 π 2 D2 n 2 = = 0.00056 D n 2 Cos β = 2 g D g D 60


106

Para materiales tales como minerales, carbón y otros más pesados y de tamaño grande, que no fluyen libremente, se adoptan no obstante, velocidades más bajas que reduzcan todavía más el efecto de la fuerza centrifuga. Para estos, la fuerza centrífuga es del orden del 80% de la correspondiente a materiales que fluyen libremente. De la consideración de la Ec. 2 , se desprende que es errónea la creencia común de fijar velocidades determinadas para cada tipo de material, puesto que las mismas dependen del diámetro del tambor motriz. No obstante, deben tenerse en cuenta aspectos prácticos tales como el tamaño y naturaleza del material, a efectos de la erosión que puede producirse en los bordes de los cangilones; en general, cuanto más abrasivos, duros y aristas más agudas tengan los materiales, más reducidas deben ser las velocidades. El mayor tamaño de los trozos también limita la velocidad; 75 mm. aproximadamente, es el mayor tamaño que debe transportarse en elevadores de cangilones (comunes). Otro criterio modernamente empleado para determinar el limite entre la descarga centrífuga y la de gravedad, es el de la distancia polar. Se demuestra que para una velocidad y con una carga constante en el cangilón, la resultante R de ambas, cambia de posición y valor según se desplaza el mismo, pero la prolongación de todas, corta al eje Y-Y de la fig. 11, siempre en el mismo punto P, llamado polo; dp se llama la distancia polar Cuando dp <

r¡, o

sea, el polo está dentro de la

circunferencia de la rueda o tambor, la descarga es centrífuga. Si d p > r e, Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

107

o sea, el polo está fuera de la circunferencia definida por la arista más saliente del cangilón, la descarga es por gravedad. Cuando el polo está

situado entre ambas circunferencias, la descarga es parcialmente por gravedad y parcialmente centrifuga. Fig. 11.- Determinación de la distancia polar


108

La posición del punto P, se deduce de la comparación de los triángulos semejantes ABC y AOP de la fig. 11. dp P m g g r = = = 2 r Fc V 2 V r

de donde: g r 2 dp = 2 = constante V

Puesto que v = 2

r n , sustituyendo resulta: 60

π

dp =

895 =m n2

Ec. 5

La tabla 2 da una orientación general sobre las velocidades a elegir, según el diámetro del tambor y los materiales a elevar. Características del material

Material

Tipo de elevador

Tipo de cangilón

Veloc. (m/seg) banda

Polvo de carbón

Baja velocidad, descarga por gravedad

P

____

Cemento, yeso, fosfatos

Alta velocidad, descarga centrífuga

P

1.25 – 1.8

Granular y con Serrín, arcilla pequeños trozos seca en trozos, (inferiores a 60 mm), carbón medianamente abrasivos


P

1.25 – 2

Baja velocidad, descarga directa por gravedad.

U

0.8 – 1

Pulverulento

Grava, mineral Idem muy abrasivos


109

Arena, ceniza, tierra, rocas


P

1.6 – 1.8

Carbón

Baja velocidad, descarga directa por gravedad

U

____


P

____

Rocas trituradas, mineral

Baja velocidad, descarga centrífuga directa

V

____

Cok

Idem

V

0.6 – 0.8

Tierra, arena húmeda, yeso polvoriento húmedo


A

1.25 –1.8

Muchos productos químicos

Baja velocidad, Descarga por gravedad

A

------

Tamaños medios y grandes (mayor de 60 mm), medianamente abrasivos Idem muy abrasivos

En trozos, frágil friable Polvoriento, en granos, húmedo

Tipos de cangilones:

P: Profundo A: Abierto V: tipo en V. Tabla 2


110

CAPACIDAD, ESFUERZOS Y POTENCIA La capacidad en Tm/hora, viene dada por la expresión

Q = 3.6

c voμ p

en la que c = Capacidad de cada cangilón (en litros). p = Paso de los cangilones (en metros). v = Velocidad (en m/seq). o = Coeficiente de llenado

μ = Peso específico (en Tm/m 3). Los esfuerzos en cada ramal de la banda son distintos; el peso del ramal cargado equilibra al del vacío más la acción del esfuerzo tangencial en el tambor motriz. A efectos del cálculo de la banda, se considera el ramal más cargado y el valor teórico del esfuerzo viene dado por: F = H (Pm + Pc)

en la que H = Altura del elevador (en metros) Pm = Peso del material ( en Kg/m del elevador) Pc = Peso de los cangilones y banda ten Kg/m del elevador) A consecuencia de las resistencias al movimiento y adaptación Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

111

de los cangilones sobre el tambor motriz, el valor de Pc, debe multiplicarse por el coeficiente C 1, con la finalidad de tomar en cuenta las resistencias al movimiento y adaptación de los cangilones sobre los tambores de cabeza y pie, así como la resistencia al llenado o dragado de los cangilones. Además, p c se multiplica por un coeficiente práctico C2. Considerando un factor de seguridad de un 23%, resulta finalmente: ⎛ Q ⎞ ⎛ 1 ⎞ F = 1,2 H ⎜ + C1 C2 Q ⎟ = 1,2 H Q ⎜ + C1 C2 ⎟ ⎝ 3,6 v ⎠ ⎝ 3,6 v ⎠

Ec. 6

La potencia necesaria CV se obtendrá multiplicando por V/75 el valor del esfuerzo tangencial T t; éste es igual al peso del material a elevar (H Pm) (1), más F multiplicada por un coeficiente de fricción

μ1. Resulta, por consiguiente: P1 =

1.2 H Q ( 1 + μ1[ 1 + 3,6 C1 C2 v]) 270

Ec. 7

Los valores de C 1 , C2 y μ1 vienen dados en la tabla3: Capacidad (Tm/h)

Tipo de Cangilones PyA V Coeficiente C2


112

Hasta 10 10 a 25 25 a 50 50 a 100 Más de 100 Coefic. C1 Coefic. C2

0.6 0.5 0.45 0.40 0.35 2.5 0.1

0.60 0.55 0.50 2 0.1

Nota: todos los valores son orientativos Tabla 3 (1) Este valor se multiplica por un coef. seguridad de 1,2 Los valores dados por la Ec. 6, son de más utilidad en un anteproyecto en el que a priori se desconoce el paso de los cangilones, pero cuando se sabe del mismo, es preferible emplear la siguiente expresión:

P2 =

Q H ς ( 1 + 2 μ1 p c H ) 270

Ec. 8

siendo, ς un factor de seguridad adicional y que es suministrado por el proyectista, la cual da valores más exactos (p c debe expresarse en Tm/m).


113

No obstante, la incertidumbre radica en que el valor de μ1 es difícil de conocer, por lo cual en la práctica, los valores de potencia se mayoran a juicio y experiencia del proyectista. CARGA Y DESCARGA Estos son aspectos prácticos que requieren experiencia y un cuidadoso diseño. En los elevadores con cangilones espaciados y cuando el material es pulverulento o granular, los cangilones efectúan dragado en el pie del elevador, puesto que el material alimentado se vierte parcialmente fuera de los cangilones. Si el material está en trozos de medianas o grandes dimensiones y además es friable o abrasivo, este sistema no puede emplearse, y la alimentación ha de hacerse directamente en el cangilón, lo que obliga a emplear elevadores continuos. Generalmente, la disposición constructiva de la boca de carga y de la tolva adjunta, es la que se indica en la fig.12, o sea, sin regulación alguna, pero esto no es recomendable por existir el riesgo de sobrecargar el elevador y hacer difícil el dragado.


114

Fig. 12 La descarga no presenta dificultades, siendo una de las formas constructivas la indicada en la fig. 9. Los ángulos de las bocas o chutes de descarga, son aproximadamente las que se indican en la siguiente tabla. MATERIAL

ANGULO

Cemento, finos, etc

30 grados

Carbón seco

30 grados

Carbón apelmazado

45 ~ 50 grados

Materiales granulares(granalla)

45 ~ 50 grados


115

ESTUDIOS DE TENSIONES EN ELEVADORES DE BANDA Para que no se produzca deslizamiento de la banda sobre el tambor de cabeza, debe cumplirse la misma condición que en las cintas transportadoras, o sea: T1 ≤ e μΩ T2

(1)

Si teniendo en cuenta los pesos de cada ramal, la relación T1 ≤ e μ Ω entonces debe preverse una tensión adicional en la rueda del T2

pie del elevador, hasta lograr que se cumpla la relación (1). En los elevadores, el arco de contacto Ω = 180 grados y la tabla siguiente da la relación

T1 para diversos valores de μ, que dependen de que la T2

rueda esté desnuda o forrada de qoma. CONDICIONES DE ACCIONAMIENTO

COEF. DE FRICCIÓN

T1 , PARA T2 Ω = 180 GRADOS

Banda sobre tambor de hierro Banda sobre tambor forrado

0.25 0.35

2.194 3.000

Banda sobre tambor de hierro 0.20 (condiciones polvorientas)

1.857


116

Banda sobre tambor forrado 0.27 (condiciones polvorientas) Banda sobre tambor de hierro 0.21 (condiciones húmedas) Banda sobre tambor forrado 0.21 (condiciones húmedas)

2.330 1.900 1.900

Un riesgo que se corre es que por una excesiva alimentación, aumente la capacidad a elevar y, por tanto, la tensión en el ramal de elevación. Entonces, la razón T1 aumentará, y la banda deslizará con T2

el peligro de que la fricción desgaste la banda. Por el contrarío, cuando su capacidad sea menor de la calculada, la relación de tensiones será menor y estaremos consumiendo más potencia de la necesaria. Los alargamientos también serán muy distintos de elevador cargado a vacío; deben colocarse tensores de contrapeso capaces de absorber la diferencia de alargamientos.

DETALLES CONSTRUCTIVOS GENERALES Cajas: Se construyen con una estructura soporte ligera recubierta de chapas de poco espesor atornilladas. El objeto de las mismas es impedir la difusión del polvo y evitar que los derrames de material puedan caer en zonas de paso de personas y, además, proteger a éstas del contacto con la banda y cangilones. Deben preverse en lugares convenientes,

puertas

de

inspección

grandes

y

fácilmente


117

desmontables.

DISPOSITIVOS DE SEGURIDAD: En previsión de que una rotura de los mecanismos de accionamiento o la falta de corriente en el motor, hagan que los cangilones llenos retrocedan, y al entrar en contacto con el material alimentado en el pie del elevador se produzcan un choque y el deterioro de los mismos, debe preverse un dispositivo antirretroceso directamente calado sobre el eje de la rueda de cabeza, o un freno del tipo electromagnético o turbohidráulico. Cuando se produce un deslizamiento de la banda, por falta de tensión en el díspositivo tensor, la rueda o tambor de pie se parará o disminuirá su número de r.p.m. Al ser perjudicial el citado deslizamiento, este debe evitarse parando rápidamente el elevador. Ello se logra con un dispositivo eléctrico calado en el eje de tambor de pie, el cuál al girar a menos revoluciones que aquellas para las que está tarado, actúa sobre los contactores del equipo eléctrico de mando del motor de accionamiento, logrando pararlo. d) Sistema de Limpieza:

Después que las granallas golpean contra la tubería, las mismas Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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caen en una tolva de recolección que se encuentra en la parte inferior de la máquina; luego mediante el elevador de cangilones se transporta todo el material depositado en el fondo (el abrasivo pulverizado, polvo, costras de óxido y otros contaminantes) hasta lo que se llama el ‘Separador de Granalla’ que se encuentra encima de la máquina. La combinación de tamices y placas en forma de lengüeta en el separador, es lo que hace remover las partículas contaminantes de gran tamaño. En una ‘Malla Rotativa’ quedan retenidas todas aquellas piezas cuyo tamaño le haría daño a la turbina y/o los alabes en caso de ser entregadas a los mismos. El polvo, y las partículas abrasivas que son muy pequeñas para tener efectividad son eliminadas luego en un segundo proceso. Este proceso consiste en crear una cortina muy fina de granalla a través de la cual se hace pasar una corriente de aire determinada que es capaz de arrastrar las partículas más pequeñas junto con el polvo hacia otro camino que las saca del sistema. Las partículas mas grandes y por consiguiente de mayor peso, no son logradas desviar de su trayectoria y permanecen en uso. Dependiendo de el tamaño mínimo de partícula que se esté dispuesto a utilizar en el proceso de limpieza, se debe calcular el caudal de aire que se va a manejar, así como el espesor de la cortina de granalla. Este último se puede variar Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

119

fácilmente gracias a un sistema de contra-peso. Luego de esta limpieza los abrasivos todavía utilizables caen en una tolva de almacenamiento que es la que alimenta nuevamente a las turbinas. e) Recolector de Polvo :

El polvo creado por el proceso de granallado y que permanece flotante dentro de la cabina, es retirado del abrasivo circulante y de la atmósfera por el recolector de polvo. Este crea un flujo de aire constante a través del separador como también a través de la máquina granalladora, logrando de esta manera que el área adyacente al equipo permanezca limpia y libre de polvo. En el interior del mismo y dependiendo del modelo, pueden haber mangas o filtros cilíndricos, a través de los cuales pasa el aire y el polvo es retenido. Estos filtros o mangas están conectados a un sistema vibrador que los obliga a dejar caer el polvo en una tolva, de la cual es recogido y botado.

f) Sistema de Transporte: Para poder efectuar la limpieza de cualquier pieza metálica por el Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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método de Chorro de Abrasivo, es necesario proveer una manera mediante la cual la superficie a limpiar pase a través de la cabina. Es conveniente aclarar que lo anterior se refiere al ‘Sistema de Transporte’, y no a la manera como el abrasivo es transportado hasta el Separador de Granalla, ya que este proceso es llamado el ‘Sistema de recirculación del Abrasivo’, del cual se habló previamente. Existen, dependiendo de el producto que se esté manejando (que en nuestro caso son tubos), diferentes maneras de lograr esto, ya sea mediante una correa transportadora, con una cadena que lleva las piezas colgadas ó, en nuestro caso, un ‘Camino de Rodillos’. Estos vienen a ser la manera como el ‘TUBO’ es pasado a través de la máquina granalladora. Son un conjunto de ruedas (ya sean de goma sólida, de metal o cauchas inflados con aire a presión) que se encuentran sincronizadas entre sí a través de una barra que las obliga a rotar a todas el mismo ángulo al mismo tiempo. Esta rotación se efectúa sobre su eje vertical, variando así el ángulo que ellas tienen con respecto a la línea de eje del tubo. Este ángulo es el que rige la velocidad de avance del mismo así como también su velocidad de rotación. En el siguiente dibujo se puede observar la manera como los rodillos van respecto a la tubería, vistos en elevación y en planta: Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

121

PLANTA:


122

ELEVACIÓN:

Se puede observar claramente que para que exista contacto de toda la superficie del rodillo con el tubo es absolutamente necesario que las líneas de eje de los mismos se corten con la línea de eje del tubo. Nota: El esquema planteado de la elevación y el de planta no representan el mismo instante, cada uno fue hecho con un tubo de diferente diámetro. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

123

g) Sistema de Instrumentación y Control: Controles para iniciar y parar el elevador de cangilones, el colector de polvo, las unidades de turbinas, y el sistema transportador de rodillos, así como también los instrumentos para monitorear el amperaje de los motores de las turbinas y llevar un conteo de las horas que trabaja la máquina, son localizados en una consola central. El enlace entre todos los equipos se debe proveer para que todos funcionen en la misma secuencia. La operación total puede generalmente ser controlada por un solo operador. Cualquier información adicional sobre los componentes de la Máquina Granalladora, se puede conseguir en el Tercer Tomo de este trabajo, el cual es un “Manual de Mantenimiento”. La razón de hacerlo por separado es poder entregárselo a la empresa SOLTUCA para que sea utilizado en la preparación de personal y como guía de referencia rápida para cualquier eventualidad de reparación en la máquina. A su vez, para evitar repetir información en el desarrollo de este ‘Trabajo Especial de Grado’ queremos referir cualquier duda o inquietud al ‘Manual de Mantenimiento’ que constituye el TOMO III de este proyecto.


124

PARTE II EL DISEÑO


125

CAPITULO IV DISEÑO DE LA PLANTA DE REVESTIMIENTO


126

DISTRIBUCIÓN DE EQUIPOS Y DIAGRAMA DE FLUJO DE LA PLANTA DE REVESTIMIENTO La necesidad de explorar nuevas técnicas y utilizar nuevos productos para poder competir en el mercado nacional e internacional es una de las metas principales de SQLTUCA. Para la construcción de nuevos equipos se requiere del apoyo decidido por parte de los gerentes de planta y por supuesto del empleo de profesionales especializados en el área. Una de las necesidades principales de SOLTUCA es invertir en la construcción de una planta de recubrimiento capaz de poder revestir tubos con diversos productos. Actualmente SOLTUCA solo hace el revestimiento con lo que es llamado brea asfáltica y pintura epóxica líquida, pero la idea del proyecto, es que la planta pueda emplear una pintura capaz de soportar golpes, rayaduras, altas temperaturas, etc, de manera altamente eficiente. Se está hablando de la utilización de la "pintura termo aplicada", cuya característica fundamental es la utilización de un polvo fluidizado (polvo epóxico) que se adhiere fuertemente a la superficie de los tubos solamente cuando la misma se encuentra a altas temperaturas, esto garantiza una muy buena protección de la tubería contra agentes externos. Se decide entonces la construcción de esta nueva planta cuya característica principal es la versatilidad en la implementación de los recubrimientos según las necesidades del cliente a pesar de que Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

127

básicamente su objetivo principal es satisfacer la demanda actual de las petroleras. Esta planta contará con la implementación de nuevos equipos que son esenciales para la buena aplicación de la pintura sobre la superficie de las tuberías. Además el diseño está concebido para que la planta sea multifuncional y esté en capacidad de satisfacer todos los requerimientos del cliente en cuestión. La construcción de esta planta (que ya se encuentra aprobada) se está realizando a través de un grupo de profesionales, además de que se cuenta con la colaboración de varios pasantes de la Universidad Metropolitana tanto en el área de Ingeniería Civil como en el área de Ingeniería Mecánica. El galpón completo en el cual se instalarán los equipos, fue diseñado y está actualmente siendo construido por pasantes de la Escuela de Ingeniería Civil, quienes están a cargo de toda la fabricación de las cerchas. El Presidente de la empresa nos propuso realizar un diagrama de flujo de toda la planta así como también el diseño y la construcción de la máquina granalladora. Las dimensiones del galpón donde estará ubicada la futura planta de revestimiento son como se ven en los siguientes dibujos:


128

Vista del galpón de planta de revestimiento Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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Elevación principal del galpón de la planta de revestimiento Una vez. conocidas las dimensiones del galpón, para la realización del diagrama de flujo se nos dieron a conocer las siguientes condiciones: a) La

planta

revestir

tiene

con

recomendado sabe

que

que

diferentes

tener

la

versatilidad

equipos,

es

Polvo

Epóxico

otro

método

pueda

ya

que

pero haber

mañana y

se

de

poder

hoy

lo

no

se

tiene

que

poder adaptar. b) Capacidad de poder revestir interna y externamente para que con

una mínima inversión adicional se pueda optimizar el rendimiento de la planta, manteniendo prácticamente el mismo personal. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

130

c) En todo momento el tubo debe estar en condiciones de retornar al punto

de origen. Con esas tres condiciones en mente, y después de varias ideas, se realizó un plano del diagrama de flujo que se encuentra en el Apéndice 2 de ‘Planos de Construcción’. En este se observa que en todo momento el tubo está en capacidad de poder retornar al punto de origen. Se pensó para un futuro, en un lugar disponible para el revestimiento con brea, y perpendicular a este, otro para cualquier método nuevo de revestimiento que se desee. La dirección que van a tomar los tubos, ya sea para pintura interna, pintura externa ó ambas, depende de las peticiones por parte del cliente y se explica mejor mediante el diagrama de flujo que se muestra en la página siguiente. Como se puede apreciar en este diagrama, al cliente se le da la oportunidad de seleccionar el tipo de recubrimiento según sus propias necesidades, lo cuál hace a la planta muy versátil en todos sus aspectos. En este diagrama, se toman en cuenta solo el revestimiento interno con epoxi líquido y el externo con polvo epóxico, pero no se incluyeron los procesos de revestimiento con brea ni el área de la planta provista para el revestimiento con cualquier otro método, ya que estos no van a estar en funcionamiento, al menos al comienzo. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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Adicionalmente, se diseñó el galpón con columnas dobles en las Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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tres hileras de manera de poder aumentarlo o ampliarla con otro igual de cualquiera de los dos lados del mismo. Este detalle no se muestra en ninguna de las dos figuras donde aparece el galpón, ya que esto fué decidido a última hora y las columnas fueron agregadas.

EQUIPOS QUE CONFORMAN LA PLANTA Ahora hagamos una breve descripción de cada uno de los equipos por los cuales pasan los tubos: 1) Granallado Interno: Esta máquina estará dotada de una boquilla soportada por un carrito que se desplaza longitudinalmente por la parte interna de la tubería desde el comienzo hasta el final de la misma. Por la boquilla se inyecta granalla a alta presión mientras la tubería está rotando; de esta forma después de una o dos pasadas se obtiene una superficie limpia de toda capa de herrumbre. 2) Pintura interna: En esta sección de la planta se va a realizar el recubrimiento de la tubería con pintura asfáltica y/o epóxica.


133

Originalmente esto se lograba por centrifugado, pero hoy en día se hace rociando al tubo con una película muy fina de pintura mientras este rota sobre su eje. La cantidad de pintura que se utiliza es la necesaria o la requerida, y la velocidad de rotación del tubo se escoge de manera de que la pintura no chorree mientras se seca. 3) Proceso de calentamiento 1: Para facilitar el proceso de granallado externo y sea óptimo el proceso de limpieza, se va a disponer de un horno que opere en base a gas para

poder

calentar

los

tubos

hasta

una

temperatura

de

aproximadamente 70 °C, Como el coeficiente de dilatación térmica de la capa de óxido es menor que el material de acero de que están hechos los tubos, una vez que se calienta la superficie, la capa se expande en una cantidad muy pequeña por lo cuál se requiebra debido a la fragilidad que posee, de esta forma se facilita el desprendimiento una vez que las granallas golpean contra la superficie del tubo. 4) Granallado externo: La construcción de la máquina granalladora externa es la primera de todas las demás máquinas que operarán en la planta de revestimiento y constituye el proyecto de este Trabajo Especial de Grado, razón por la cual no se explicará en esta sección su funcionamiento. Diseño y construcción de una máquina granalladora para limpieza externa de tuberías de acero

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Tesis Elevador de Cangilones Calculo

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