Kitabı oku: «Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos», sayfa 2

Édgar Espejo Mora, Héctor Hernández Albañil

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1.4 CAUSA RAÍZ DE FALLA

Al establecerse la fuente de falla dentro del mecanismo de falla se ha respondido la pregunta sobre ¿cómo falló?, pero aún sigue estando sin respuesta la pregunta ¿por qué falló?, la respuesta a esta pregunta es lo que se conoce como causa raíz de falla. Al establecerse la fuente de falla se tiene claro que hubo deficiencias en el diseño, o en la calidad del material, o en la calidad del proceso de fabricación, o en el transporte, o en el montaje, o en la operación, o en el mantenimiento del elemento fallado, sin embargo, todas estas actividades son adelantadas por personas adscritas a organizaciones, por lo tanto, la causa raíz de falla debe establecer por qué razón o razones las personas y organizaciones responsables del proceso asociado al diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación y el mantenimiento del equipo o estructura, hicieron su trabajo de manera deficiente. Un buen análisis de falla debe detectar la o las causas raíces de falla, para de esta manera poderse tomar las acciones correctivas en personas y organizaciones que minimicen la recurrencia futura.

Si retomamos el ejemplo de la falla por fractura del cigüeñal del motor, y asumimos que los analistas no hayan quedado conformes con haber detectado que la fuente de falla era un mantenimiento inadecuado que permitió la instalación de un cojinete no apropiado, es posible que estos al seguir indagando detecten que el mecánico responsable de colocar el cojinete no seleccionó el adecuado, por no haber consultado el manual de mantenimiento del motor. Al continuar la investigación los analistas pueden darse cuenta de que el mecánico no consultó el manual, sino que confió en su propia experiencia, porque en el taller en el cual trabaja no existe un procedimiento escrito y difundido que lo exija, si este es el caso se puede concluir que la causa raíz de falla está en que la jefatura del taller no tenía una política de calidad. En la figura 1.7 se resume lo anterior.

Figura 1.7 Ampliación de la figura 1.4, donde se encadena con otros eventos desde la causa raíz de falla (mecanismo humano u organizacional de falla)

Fuente: elaboración propia.

En resumen, podemos decir que la causa raíz de falla desencadena una serie de eventos que hacen parte de lo que llamaremos mecanismo de falla humano u organizacional o mecanismo humano-organizacional, el cual culmina en la fuente de falla. A partir de la fuente de falla la secuencia de eventos físicos y químicos que llevan al modo de falla final es lo que hemos llamado mecanismo de falla. Si consideramos todo el proceso de falla desde la causa raíz hasta el modo de falla final, encontramos que la etapa latente generalmente cubre la mayoría del mecanismo de falla humano u organizacional y algunas veces parte del mecanismo de falla (físico o químico), mientras que en la etapa manifiesta es lo contrario (figura 1.8).

Las causas raíces de falla se pueden agrupar en las siguientes categorías (figura 1.9):

Figura 1.8 Proceso de falla, sus elementos y etapas

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.9 Causas raíces de falla básicas

Fuente: elaboración propia.

1.Deficiencias en el diseño del sistema de calidad. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de una deficiencia o ausencia en el diseño del sistema de calidad asociado. Ejemplos de ello son la ausencia de políticas de calidad en la organización, ausencia de una estructura organizacional y de responsabilidades asociadas con el sistema de calidad, ausencia de procedimientos o instrucciones de trabajo (cuando la organización confía en la experiencia de la gente para hacer su trabajo y, por lo tanto, no tiene escritos procedimientos), etcétera. Cuando la fuente de falla se encuentra en deficiencias del diseño del sistema de calidad, una causa raíz común está en la ausencia de procedimientos de diseño o de medición de las solicitaciones o de resistencias de los elementos (es el caso de un fabricante de equipos que base sus diseños más en copia que en ingeniería propia).

2.Deficiencias en los procedimientos del proceso. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de deficiencias en los procedimientos e instrucciones de trabajo que maneja la organización; es el caso de procedimientos incompletos, errados o imprecisos que inducen a fallas. Un ejemplo se da en equipos pioneros o tecnologías nuevas, donde por el desconocimiento de los diseñadores en la aplicación en particular, es altamente probable cometer errores u omisiones en la generación de los procedimientos, es el caso de los transbordadores espaciales de la Administración Nacional de la Aeronáutica y del Espacio (NASA, por sus siglas en inglés), donde de 5 transbordadores construidos 2 tuvieron fallas catastróficas (Challenger y Columbia), es decir, un porcentaje de falla del 40 %; en este caso la causa raíz de falla estuvo en la imposibilidad por parte de los diseñadores, de prever todos los escenarios de falla para hacer un procedimiento de diseño seguro, en un equipo que era el primero de su tipo.

3.Deficiencias en la ejecución de los procedimientos. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, como consecuencia de disparidades entre los procedimientos e instrucciones de trabajo generados con las labores efectivamente realizadas. Puede ser el caso de la existencia de procedimientos de trabajo no actualizados, o la no difusión de los procedimientos al personal encargado desde la gerencia.

4.Deficiencias en los recursos asignados. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, producto de una deficiencia o ausencia en los recursos asignados por la organización. Recordando que los recursos son tanto físicos como humanos, se tienen ejemplos como la falta de herramientas y equipos adecuados, falta de capacitación adecuada, sobrecarga laboral (conduce a cansancio, falta de atención, omisiones), recortes de presupuesto, entre otros ejemplos.

5.Errores humanos, violaciones y negligencias. Cuando el proceso asociado con el diseño, el material, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento de un elemento, equipo o estructura, favorece la ocurrencia de una falla, es decir, actúa como fuente de falla, debido a un error humano, una violación o una negligencia. Un error humano es una desviación de la conducta esperada por acción u omisión no intencional de un individuo, una violación en cambio es un acto intencional que busca inducir una falla, mientras que una negligencia es una desviación de la conducta esperada, sin la intencionalidad de provocar una falla, aunque con el conocimiento de que dicha acción tiene un riesgo mayor asociado. Un error humano se presenta, por ejemplo, cuando de manera involuntaria un operario se salta un paso dentro de un procedimiento. Una violación se presenta como un acto deliberado de sabotaje. Un ejemplo de negligencia se da cuando un operario capacitado decide operar un equipo sin los elementos de seguridad respectivos.

Las causas raíces 1 a 4 anteriormente mencionadas, son responsabilidad directa de la organización y, por lo tanto, las llamamos organizacionales, y es la gerencia de dicha organización la directamente responsable de las fallas que se generen allí, ya que ella fue la que generó la estructura organizacional, la política de calidad, la selección y distribución de recursos, el diseño de los procesos y procedimientos, etcétera. Por lo anterior, todas aquellas personas que hacen parte del nivel gerencial son las directamente encargadas de implementar las acciones correctivas futuras.

La quinta causa raíz recae directamente sobre los individuos que ejecutan los diferentes procedimientos, y por ello es una causa de falla humana y no organizacional. Cada individuo por tanto es el responsable de implementar las acciones correctivas hacia el futuro.

1.5 SOLICITACIÓN, RESISTENCIA Y FACTOR DE SEGURIDAD

Los elementos mecánicos y estructurales son expuestos a cargas durante su trabajo (fuerzas y momentos) y deformaciones por la interacción con otros cuerpos, con unas determinadas condiciones de radiación, temperatura, presión y composición química del medio circundante; dicho medio, a su vez, puede ser un líquido o un gas y, por lo tanto, ser un fluido monofásico o ser una mezcla de líquido-sólido, gas-sólido, líquido-gas, líquido-gas-sólido, líquido A-líquido B, gas A-gas B, etcétera, en cuyo caso se tiene un fluido multifásico.

Así pues, una pieza es sometida en servicio a estímulos físicos y químicos que generarán de esta algún tipo de respuesta, a estos estímulos los llamaremos solicitaciones. Por otro lado, en virtud del material del cual está hecha la pieza, de su proceso de fabricación, de su tamaño, de su geometría, de su acabado superficial, etcétera, esta será capaz o no de soportar las solicitaciones sin llegar a falla, a esto le llamaremos resistencia del elemento mecánico o estructura.

Para poder diseñar un elemento mecánico o estructura se debe escoger una magnitud física o química en la cual se pueda cuantificar y comparar la solicitación y la resistencia. En el caso del diseño a fractura o deformación plástica, una magnitud comunmente usada es el esfuerzo (carga por unidad de área), donde el valor límite de esta magnitud para una pieza puede ser la resistencia a tensión, la resistencia a fatiga, la resistencia a fluencia, etcétera; en el diseño a desgaste una posible magnitud por usar es la rata de desgaste (cantidad adimensional), siendo el valor límite la máxima rata de desgaste; en el diseño a corrosión una magnitud por usar puede ser la velocidad de la corrosión (espesor de material perdido por año), teniéndose igual que en el caso del desgaste un valor límite máximo; en el diseño a deformación elástica la magnitud puede ser el desplazamiento, siendo su resistencia un desplazamiento límite máximo o mínimo; en el diseño a vibración se puede cuantificar los desplazamientos, velocidades o aceleraciones de vibración, imponiéndose, por ejemplo, límites máximos.

Para cada una de las cuatro familias de modos de falla básicos (deformación- vibración, fractura, desgaste y corrosión) se pueden usar varias magnitudes físicas de estudio, con las cuales cuantificar las solicitaciones y comparar con las resistencias, con lo cual el diseñador debe escoger de acuerdo con la aplicación las magnitudes más adecuadas para adelantar el diseño del respectivo elemento mecánico. Los valores de la solicitación y la resistencia a un modo de falla específico, en general dependen del material usado en la pieza y de variables como la forma, el tamaño, el acabado superficial, el medio ambiente, entre muchos otros. Algunas resistencias son fuertemente dependientes del material, más que de las otras variables geométricas o de medio ambiente, como puede ser el caso de la resistencia a tracción; ello le facilita enormemente el trabajo al diseñador, ya que a partir de ensayos normalizados de material, puede obtener un valor de resistencia a tracción que extrapole a muchas geometrías de piezas. En otros casos el valor de la solicitación y/o de la resistencia al modo de falla es fuertemente influenciado por la geometría y medio ambiente de la pieza, como es el caso de la velocidad de corrosión, ya que un mismo material presenta diferentes velocidades de deterioro en diferentes medios y con diferentes geometrías; esto obliga al diseñador a hacer ensayos muy cercanos a cada aplicación particular que tenga, para obtener datos confiables tanto de la solicitación como de la resistencia. Como regla general para la minimización en la ocurrencia de las fallas, se deberá propender por determinar todas las solicitaciones y resistencias a los modos de falla, a partir de ensayos en condiciones cercanas a las de operación.

Una vez definida la magnitud física por usar durante el diseño de una pieza mecánica, se procede a escoger el material y dimensionarla a partir de los valores de la solicitación y la resistencia. Una práctica común del diseño consiste en proyectar la pieza para que en servicio sea sometida a una solicitación máxima admisible, la cual es menor a su resistencia o valor límite máximo. El cociente entre la resistencia teórica de la pieza (valor límite máximo) y la solicitación máxima admisible se denomina factor de seguridad (FS), ecuación 1.1. Dicho factor toma valores comunmente entre 1, 2 y 3, o mayores en ciertas aplicaciones, para asegurar que no ocurra falla, cuantificando de manera indirecta la inseguridad que tiene el diseñador del valor de la resistencia y del valor de la solicitacion real a la cual será sometida la pieza (a mayor factor de seguridad mayor incertidumbre en el diseñador).

FS= Resistencia teórica Solictación máxima admisible

(1.1)

En las aplicaciones reales la resistencia y la solicitación no son exactamente las esperadas por el diseñador, por lo que el cociente entre la resistencia real y la solicitación real que tiene la pieza en servicio se denomina factor de seguridad real (FSREAL), ecuación 1.2. Debido a esta discrepancia, el valor del factor de seguridad real puede ser menor que el esperado por el diseñador, figura 1.10, lo cual, aunado a las consideraciones estadísticas que se describen en el siguiente numeral, puede aumentar la probabilidad de falla.

F S REAL = Resistencia real Solictación real

(1.2)

Figura 1.10 Relación entre las solicitaciones y resistencias teóricas y reales

Fuente: elaboración propia.

Diseñar elementos mecánicos y estructuras basados en el método de cálculo del factor de seguridad es una práctica muy extendida en el medio ingenieril. Si el lector no está familizarizado con esta filosofía de diseño, puede consultar alguna de las referencias [13].

1.6 PROBABILIDAD DE FALLA Y CONFIABILIDAD

Muchos parámetros relacionados con la resistencia real de un elemento mecánico o estructura a presentar alguno de los modos de falla y con la solicitación real, están sujetos a incertidumbres y variabilidad, es decir, tanto la solicitación real como la resistencia real se pueden representar mediante variables aleatorias con sus correspondientes funciones de densidad de probabilidad (figura 1.11). La variabilidad de la solicitación implica que en servicio esta cambia en cada ciclo de trabajo del elemento, siendo algunas veces mayor y en otras menor; mientras que la variabilidad en la resistencia proviene de la variación en la calidad del proceso de fabricacion de una pieza a otra, de su homogenidad, de su cambio dimensional en servicio, etcétera.

Figura 1.11 Distribuciones de la solicitación y la resistencia reales de una pieza

Nota. El solapo entre estas dos distribuciones representa la probabilidad de falla (área).

Fuente: elaboración propia.

El concepto de probabilidad de falla (Pf ) está relacionado con el criterio según el cual ocurre falla cuando la solicitación real en un componente iguala o excede su resistencia real (figura 1.11), o en otras palabras, cuando el factor de seguridad real se hace igual a uno o menor. Entonces, suponiendo que tanto la resistencia como la solicitación son variables aleatorias, la probabilidad de falla se puede determinar mediante la ecuación 1.3.

P f = Probabilidad |R≤S|

(1.3)

Donde R y S son las variables aleatorias de la resistencia y de la solitación, respectivamente. Para definir la distribución de probabilidad de la solicitación es necesario cuantificar las cargas experimentadas por las piezas, por análisis o por medidas directas de campo. Luego, los datos de campo se representan por un modelo teórico de distribución de la solicitación. Nótese que la probabilidad de falla nunca llega a ser cero, es decir, la naturaleza aleatoria de la solicitación y la resistencia no permite generar diseños cien por ciento seguros.

En aplicación la probabilidad de falla de una pieza puede aumentar respecto a su condición inicial, por el aumento en la variabilidad de la solicitación o de la resistencia, o por una conjunción de aumento de la solicitación promedio (S¯) y disminución de la resistencia promedio (R¯), figura 1.12.

Figura 1.12 Escenarios posibles para el aumento de la probabilidad de falla en servicio

Fuente: elaboración propia.

La probabilidad de superviviencia o confiabilidad (Ps) de un componente o de una estructura está definida en la ecuación 1.4. Numéricamente, el nivel de confiabilidad representa el porcentaje de sobrevivencias de un gran número de unidades en un determinado tiempo de servicio.

P s =1− P f

(1.4)

La exactitud con que se estime la probabilidad de falla o la confiabilidad depende de la caracterización estadística apropiada tanto de la resistencia como de la solicitación. El grado de incertidumbre puede ser disminuido por la actualización continua de información de las solicitaciones y resistencias reales de un componente.

En un análisis del mecanismo de falla, en últimas se pretende determinar qué fuente o fuentes de falla aumentaron la probabilidad de falla, al modificar la solicitación real o la resistencia. Deficiencias de diseño, transporte, montaje, operación o mantenimiento pueden implicar solicitaciones reales mayores o resistencias reales menores a las esperadas; deficiencias en el material o en el proceso de fabricación generalmente implican resistencias reales menores.

El diseño de elementos mecánicos y estructuras basado en lograr una confiabilidad determinada (o probabilidad de falla) es una filosofía de diseño que actualmente está ganado terreno y que va más acorde con la naturaleza estadística de la solicitación y la resistencia. En [4] se encuentra un resumen de este enfoque de diseño.

1.7 ANÁLISIS COMPLEMENTARIOS A LOS DE FALLA

Los análisis de falla hacen parte de un conjunto de metodologías relacionadas con el manejo de la integridad mecánica de activos. La integridad mecánica de activos es una filosofía de diseño, fabricación, ensamble, operación y mantenimiento de activos que busca la minimización de la ocurrencia de las fallas y, por ende, de sus consecuencias, durante la vida últil de las partes, equipos, instalaciones mecánicas y estructuras.

Desde las etapas del diseño el diseñador puede prever los mecanismos y modos de falla potenciales de la estructura, componente o equipo mecánico que está concibiendo, para estimar así las probabilidades de falla asociadas, la forma de monitorear su evolución, las posibles causas y sus posibles consecuencias, haciendo las correcciones necesarias a los diseños que aseguren que se cumplirá con las prestaciones, criterios de seguridad y tiempo de vida esperado, a esto se le denomina análisis de modos de falla y sus efectos cuya sigla en español es AMFE.

Los análisis de falla se ocupan de fallas ya ocurridas, es decir, post mortem, y los AMFE se ocupan de fallas potenciales; sin embargo, para adelantar los dos análisis y otros que se mencionan más adelante, se requiere que las personas encargadas tengan un conocimiento profundo de los mecanismos de falla y modos de falla posibles de los elementos de máquinas que analizarán.

Antes de mencionar los demás análisis complementarios a los análisis de fallas, dentro del manejo de la integridad mecánica de activos conviene definir algunos términos: rata de falla o frecuencia de falla, que hace referencia a la cantidad de eventos de falla que puede experimentar un elemento, equipo, estructura o instalación durante un intervalo de tiempo dado; severidad de un evento de falla es una medida de la consecuencia más grave que puede tener la ocurrencia de dicho evento, y es proporcional al grado de lesión personal causado, daño físico del sistema o infraestructura, contaminación causada al medio ambiente, etcétera; mantenibilidad es la facilidad con que se pueden realizar todas las labores de mantenimiento de un equipo, de manera que se minimice la ocurrencia de las fallas; disponibilidad corresponde a la fracción de tiempo que un equipo está disponible para ser usado, respecto al tiempo total analizado; criticidad es una medida del impacto que tiene un modo de falla en el cumplimiento del objetivo del equipo o instalación, por lo tanto, depende de la rata de falla y de su severidad; riesgo es un concepto íntimamente relacionado con el de criticidad, y mide el nivel de pérdida económica o humana que tiene un modo de falla, se centra en el impacto sobre una organización, por lo tanto, también depende de la rata de falla y la severidad.

Dentro del manejo de la integridad mecánica de partes, equipos, estructuras e instalaciones, se adelantan los siguientes análisis complementarios a los de fallas y los AMFE: análisis de confiabilidad es aquel cuyo objetivo es establecer la confiabilidad de un equipo a partir del conocimiento de su historial de fallas, o de las leyes físicas que gobiernan el desarrollo de los modos de falla involucrados; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad (Análisis CDM), el cual es un procedimiento que usa los análisis de confiabilidad y la estrategia de mantenimiento usada, para pronosticar pérdidas de producción y falta de disponibilidad de un proceso; análisis de criticidad, que es un procedimiento en el que cada modo de falla es jerarquizado de acuerdo con su frecuencia de falla y la severidad de su efecto sobre el cumplimiento del objetivo; análisis de riesgo, similar al análisis de criticidad, pero en este caso la jerarquización mide el impacto sobre la pérdida económica, humana o ambiental; análisis de aptitud para el servicio, en el cual, a partir de la medición del estado actual de evolución de los modos de falla de un equipo, se determina si este puede seguir operando y hasta cuándo lo puede hacer de manera segura, usando las leyes que gobiernan cada modo de falla involucrado. En la figura 1.13 se esquematiza la relación entre los diferentes análisis mencionados y el manejo de la integridad mecánica.

El lector puede acudir a las siguientes lecturas para profundizar sobre cada uno de los análisis mencionados en este capítulo: análisis de fallas [5]; análisis de ingeniería forense [6]; análisis de modos de falla y sus efectos Amfe [7]; análisis de confiabilidad [8]; análisis de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad CDM [9]; análisis de criticidad y riesgo [10], y análisis de aptitud para el servicio [11].