Kitabı oku: «Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos», sayfa 3

1.8 COSTOS, TIEMPO Y PERFIL DE LOS ANALISTAS DE FALLA

La realización de un análisis de fallas implica un costo importante en tiempo y dinero; típicamente el análisis de un componente de máquina fallado puede durar entre 1 y 2 meses, y su costo puede oscilar entre 3.000 y 20.000 dólares americanos, lo que incluye el costo de los análisis de laboratorio y los honorarios de 1 o 2 analistas. Análisis más complejos como los de accidentes aeronáuticos pueden requerir de 6 meses a 1 año de realización, con costos que pueden llegar a ser del orden de millones de dólares, ya que se incluyen varios analistas de falla, personal técnico, administrativo, y varias pruebas de laboratorio especializadas. Por ejemplo, el análisis de falla del transbordador espacial Columbia involucró a un panel de 13 expertos más el personal de apoyo, donde se adelantaron entrevistas, inspecciones y diferentes tipos de ensayos, cuyo costo total se estimó en cerca de 400 millones de dólares de la época [12], tomando un tiempo de aproximadamente 7 meses.

Debido a su costo, la realización de un análisis de falla con todas las etapas que se describen en los numerales 7.1 y 7.2 solo se justifica si se trata de un problema crónico (fallas repetitivas) o si el costo del análisis es inferior al valor del equipo. Un ejemplo donde un análisis de falla no es justificable realizarlo desde el punto de vista económico es el siguiente: si se hacen todos los ensayos e inversión de tiempo del analista de falla en un evento de falla de un rodamiento, el costo puede ser de 1.500 dólares americanos y se puede demorar cerca de 3 semanas, lo cual es muy alto al compararse con el valor del rodamiento que es apenas de 200 dólares, con un tiempo de reposición de apenas unos minutos. Si esta falla de rodamiento no es aislada sino crónica, es decir, que el costo del recambio continuo de rodamientos es muy alto, puede que ahí se justifique realizar el análisis si el potencial de ahorro en mantenimiento es mayor que el costo del análisis de falla.

Un análisis de falla de un componente, equipo o estructura mecánica involucra varias disciplinas como el diseño mecánico, la caracterización de materiales, el mantenimiento de equipos, sistemas de control, las condiciones propias de la operación (ingeniería de petróleos, aeronáutica, etcétera), la psicología, la sociología (estas dos disciplinas se requieren cuando se buscan causas de una falla en el comportamiento humano o social), etcétera. Por lo anterior, el escenario ideal es que el análisis sea adelantado por un equipo multidisciplinario de expertos de todas estas áreas, con el fin de poder evaluar con mayor certeza cuál o cuáles son las causas raíces de la falla. Así pues, la visión tradicional de nuestro medio, que deja la responsabilidad del análisis de falla solo a especialistas del área de materiales, es errada, ya que, a este profesional, por su formación, le resulta difícil identificar posibles causas en el ámbito del diseño, el transporte, el montaje, la operación o el mantenimiento.

1.9 EL PAPEL DEL ANÁLISIS DE FALLA EN LA METÓDICA DEL DISEÑO

Una máquina está integrada por decenas, cientos o miles de piezas, las cuales, a su vez, se encuentran agrupadas en sistemas; luego, al hablar del diseño y construcción de una máquina se está hablando en realidad del diseño y construcción de cada uno de sus sistemas y dentro de estos de cada una de sus partes, a lo cual sigue el ensamblaje de las piezas para formar la máquina total (montaje), la prueba del conjunto, la operación y el mantenimiento (figura 1.14).

Figura 1.14 El análisis de falla y su función en la metódica general del diseño

Fuente: elaboración propia.

Un segundo aspecto importante, adicional a la complejidad propia de las máquinas integradas por sistemas y partes, se encuentra en el hecho de que todo diseño que se haga siempre está basado en diseños anteriores (excepto que se trate de una tecnología radicalmente nueva), por ejemplo, los primeros diseñadores y constructores de automóviles y aviones hicieron sus trabajos basándose en la experiencia acumulada por más de un siglo, en el diseño y construcción de maquinaria industrial y de las primeras máquinas de trasporte como las bicicletas, las locomotoras y los barcos de vapor, entre otros; además, es importante hacer énfasis en que los precursores en la construcción de estas máquinas no partieron de cero, ya que si se mira la historia de muchos de ellos, se encuentra que eran técnicos o ingenieros especialistas en una actividad afín. Se pueden mencionar casos famosos como el de los hermanos Wright, inventores del vuelo controlado y propulsado, los cuales eran diestros constructores de bicicletas, o el de Benz, quien antes de presentar su primer carruaje motorizado llevaba una extensa trayectoria en la construcción de motores de combustión estacionarios. Debido a lo anterior, se hace evidente que en el proceso del diseño y construcción de maquinaria es de vital importancia el conocimiento acumulado en los diseñadores de la máquina.

Por lo anterior, es importante tener presente que el conocimiento acumulado es el núcleo fundamental en el proceso de diseño y construcción de máquinas (figura 1.14), por ello, la historia de una industria de punta actual como la espacial no tiene sus raíces en las loables obras de ingeniería realizadas por precursores europeos y americanos durante el siglo XX, sino que proviene de todo un conocimiento acumulado en esos países desde el siglo XVII cuando empezó la Revolución Industrial.

El tercer factor por analizar es el significado del conocimiento acumulado en el proceso de diseño y construcción de máquinas, el cual se puede definir como la forma científica, ingenieril y técnica en que la máquina cumplirá las funciones que se le piden, es decir, es el conocimiento que permite elegir con criterio qué piezas, de qué materiales, con qué sistema de control, etcétera, harán parte de la máquina; adicionalmente, y contrario a lo que se cree, ese conocimiento acumulado no corresponde a las leyes universales formuladas por grandes científicos como Newton, Joule, Einstein, entre otros, las cuales se estudian con una profundidad suficiente en las universidades, sino que hace referencia al detalle técnico, el cual muchas veces no es suficientemente explicado por las leyes físicas, y que obedece sobre todo a la experiencia obtenida durante mucho tiempo por el método empírico. Este último tipo de conocimiento se encuentra en algunas escuelas ingenieriles y técnicas, y especialmente en empresas o institutos constructores de máquinas. Ese conocimiento tecnológico y técnico al cual se hace referencia, está plasmado en las normas, prácticas recomendadas, procedimientos, manuales, etcétera, que cada empresa de construcción genera y renueva constantemente y que representa su mayor capital, el cual, por obvias razones, no es de dominio público.

El último aspecto sobre el cual se debe hacer énfasis está en la forma en la cual el conocimiento acumulado debe evolucionar dentro de una empresa, es decir, la forma en que se optimizan los diseños, las normas, las prácticas de mantenimiento, etcétera; es aquí donde aparece el aporte fundamental del análisis de fallas, ya que la empresa debe preocuparse por hacerle seguimiento a sus diseños en todas las etapas de la metódica general de la figura 1.14, para que al detectarse las fallas, se indaguen sus causas y se replantee así el conocimiento acumulado de la empresa, para mejorar en diseños futuros. Así pues, podemos catalogar al análisis de falla como el sensor que determina las causas técnicas y raíces de falla, permitiéndoles a los diseñadores y a la dirección generar acciones correctivas, vía modificaciones en el conocimiento acumulado o en la organización misma.

Infortunadamente en nuestro medio muy pocas empresas, técnicos e ingenieros aplican el análisis de falla como una rutina obligatoria de trabajo, lo cual, como es obvio, se traduce en una baja calidad de las máquinas generadas o de los servicios prestados de ensamble, operación o mantenimiento. Si queremos alcanzar un nivel alto de competitividad interna y externa, el análisis de falla debe ser una práctica continua e integral de los sistemas de calidad de nuestras empresas.

El análisis de falla debe estar presente en todas las etapas de la metódica del diseño, sin embargo, su participación se hace más fuerte a la hora de las pruebas de las partes, sistemas o máquinas, ya que es aquí donde el fabricante logra establecer con cierto nivel de precisión la vida útil esperada de su producto, para lo cual debe alimentarse de tres fuentes principales: modelos teóricos generados en la propia empresa que predigan la vida; ensayos a escala 1:1 para medir solicitaciones, resistencias, vida, etcétera, y, por último, se debe hacer seguimiento a las máquinas generadas sobre la vida que están mostrando en su lugar de trabajo (figura 1.15). Con lo anterior también se asegura que, al realizar un nuevo diseño, se minimice la probabilidad de ocurrencia de fallas.

El esquema de la figura 1.15 muestra un procedimiento aceptable que asegura diseños de alta calidad en empresas de diseño y construcción de máquinas; sin embargo, en nuestro medio el grueso de los técnicos, ingenieros y empresas de ingeniería no diseñan ni construyen, sino que prestan los servicios de ensamble, operación o mantenimiento, los cuales son los últimos pasos de la metódica general del diseño (figura 1.14). En estas etapas el aseguramiento de la calidad debe centrarse en hacer cumplir los criterios de ensamble, operación y mantenimiento, que el diseñador o el fabricante original del equipo han consignado en los manuales de ensamble, operación y mantenimiento (figura 1.16). En esta figura se sugiere que cualquier cambio en las rutinas de ensamble, operación o mantenimiento debe ser consultada con el fabricante, para asegurar que dicho cambio no vaya a aumentar la probabilidad de falla. Que una empresa cumpla con lo anterior en nuestro medio, a primera vista no debería ser difícil; sin embargo, la experiencia de los autores muestra que el grueso de las fallas que ocurren en el país se da precisamente por no ceñirse a las recomendaciones de los manuales de los fabricantes o a los códigos de sociedades técnicas especializadas.

Figura 1.15 Determinación de la vida esperada por el fabricante de una máquina o parte

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.16 Minimización de fallas en los procesos de ensamble, operación y mantenimiento de máquinas

Fuente: elaboración propia.

1.10 ÉTICA EN LOS ANÁLISIS DE FALLAS

Los analistas de falla deben propender por mantener siempre la independencia en la emisión de sus conceptos sobre el mecanismo de falla o de causa raíz, evitando ceder ante las presiones conscientes e inconscientes siempre presentes de los representantes de la fábrica, de los operadores, de los mantenedores, etcétera. Esto se vuelve especialmente crítico cuando los analistas trabajan para una de las partes involucradas; no obstante lo anterior, los analistas deben recordar que su trabajo es determinar las causas físicas, humanas y organizacionales de una falla, atendiendo estrictamente a las evidencias que la investigación genere.

Quienes solicitan conceptos del mecanismo de falla o de la causa raíz de falla deben ser conscientes de que están contratando un concepto técnico, cuyo resultado no está predefinido, es decir, en este caso no aplica el principio de que el cliente siempre tiene la razón. La responsabilidad del cliente, por lo tanto, es la de brindar toda la información que necesiten los analistas, para emitir un concepto imparcial.

Los análisis de falla son procesos de ingeniería similares al diseño, en el sentido de que dos analistas al estudiar un mismo caso, es posible que lleguen a conceptos de mecanismo de falla diferentes (identificando los mismos modos de falla). Lo mismo ocurre cuando dos diseñadores resolviendo el mismo problema, plantean dos soluciones diferentes, lo cual es perfectamente normal. Lo acertado de un análisis de falla en cuanto a la identificación de modos de falla, mecanismos de falla, causas físicas y causas raíces, dependerá de la riqueza y veracidad de la información recolectada, de la experiencia de los analistas y de la amplitud de ensayos, mediciones y cálculos realizados.

1.11 ESTADÍSTICAS DE FALLAS

A partir de los análisis de mecanismo de falla realizados por los autores del presente texto, durante una ventana de tiempo de 10 años que corresponden a cerca de 290 eventos de falla estudiados [13], se pudieron establecer las estadísticas que a continuación se mencionan, las cuales pueden dar al lector información sobre las tendencias de tipos de falla, modos de falla y fuentes de falla que comúnmente se consultan en el medio local. Estos eventos de falla provinieron principalmente de empresas del sector minero (carbón y petróleo), aeronáutico, automotriz, de maquinaria industrial e infraestructura (puentes metálicos).

Debido a su impacto en la producción, disponibilidad y funcionalidad de equipos e instalaciones, y a sus consecuencias económicas, humanas y ambientales, no es de extrañar que la mayoría de casos consultados por los diferentes sectores productivos correspondan a fallas catastróficas (82,6 %) (figura 1.17).

Figura 1.17 Proporción entre fallas catastróficas y no catastróficas consultadas

Fuente: elaboración propia.

Las fallas súbitas engloban generalmente modos de falla como las fracturas súbitas, la deformación plástica o eventos de desgaste adhesivo severo, producto de una falta de control efectiva sobre el valor de las solicitaciones, lo cual genera sobrecargas o mal funcionamientos que favorecen la ocurrencia de los modos de falla mencionados. En general, si se tienen eficientes procesos de operación y mantenimiento, normalmente se logra disminuir la proporción de fallas súbitas frente a las progresivas. De los casos consultados a los autores, la mayoría correspondieron a fallas progresivas (67,5 %) (figura 1.18).

Figura 1.18 Proporción entre fallas progresivas y súbitas consultadas

Fuente: elaboración propia.

Dependiendo de las solicitaciones particulares a las cuales se someten los elementos mecánicos en diferentes ramos industriales, se encuentra que en algunos ramos predominan ciertos modos de falla finales que en otros sectores industriales no son tan frecuentes. Por ejemplo, en operación de maquinaria industrial, estructuras, automóviles, aeronaves, minería y movimiento de tierras, donde el ambiente corrosivo está limitado a la acción de la atmósfera, es común que los modos de falla finales predominantes sean en orden descendente de importancia, los relacionados con fractura, desgaste y deformación plástica, siendo los modos de falla finales relacionados con corrosión poco frecuentes (figuras 1.19 y 1.21, izquierda), nótese que el modo de falla final de mayor consulta fue la fractura por fatiga.

En ramos industriales relacionados con la conducción y el bombeo de fluidos corrosivos como el agua, el vapor de agua, alimentos, petróleo y sus derivados, la participación de los modos de falla finales relacionados con corrosión y su cooperación con fractura (corrosión-fractura) o con desgaste (corrosión-desgaste) se hace importante, equiparándose a los modos de falla finales por fractura (figuras 1.20 y 1.21, derecha). Nótese que los modos de falla finales más consultados fueron la fractura por cooperación corrosiónfatiga y la fatiga pura.

Figura 1.19 Modos de falla finales comúnmente consultados

Nota. Relacionados con operaciones de maquinaria industrial, estructuras, automóviles, aeronaves, minería y movimiento de tierras.

Fuente: elaboración propia.

Los modos de falla relacionados con vibración no aparecen en las figuras 1.19 a 1.21, no por su ausencia, sino debido a que las empresas generalmente los consultan con analistas especializados en ese tipo de eventos, perfil que no corresponde al de los autores del presente texto.

De los análisis de mecanismo de falla realizados, se encontró que las fuentes más comunes de falla recaen en operación y en mantenimiento (figura 1.22), sumando estas 2 fuentes el 75,7 % de los casos. Esto indica que es más común encontrar la fuente de la falla en la organización operadora y mantenedora del equipo, que en la empresa fabricante, esto se debe a los filtros de control de calidad en diseño, material, fabricación, transporte y montaje que las empresas fabricantes les hacen a sus productos.

Figura 1.20 Modos de falla finales comúnmente consultados en operación de conducciones y bombeo de fluidos corrosivos

Nota. Fluidos como el agua, el vapor de agua, alimentos, petróleo y sus derivados.

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.21 Resumen de los porcentajes de consulta de los modos de falla finales agrupados por familias

Nota. Para el caso de las industrias mencionadas en la figura 1.19 (izquierda) y las mencionadas en la figura 1.20 (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Figura 1.22 Estadística de la participación de las fuentes de falla en los análisis de mecanismo de falla realizados

Nota. La sumatoria de los porcentajes excede el 100 %, ya que no es extraño que 2 o más fuentes de falla cooperen en un evento.

Fuente: elaboración propia.

1.12 COMENTARIOS FINALES

Como se habrá notado en la lectura del capítulo, las causas raíces de falla están íntimamente relacionadas con ausencias o deficiencias de los elementos típicos que componen los sistemas de aseguramiento de la calidad en los diferentes procesos de las organizaciones involucradas en el diseño, la fabricación, el transporte, el montaje, la operación y el mantenimiento de piezas, equipos y estructuras mecánicas. Por lo anterior, la principal recomendación es que dichos sistemas de aseguramiento de la calidad existan realmente en las empresas, lo cual va más allá de tener un certificado de calidad que diga que este sistema existe.

No es raro encontrar que las deficiencias en el sistema de aseguramiento de la calidad estén íntimamente relacionadas con un alto grado de desconocimiento por parte de la organización y de las personas involucradas, de la labor propia que realizan; casos como diseñadores que no calculan sus equipos; vendedores de equipos que realmente no conocen lo que están vendiendo y sus limitaciones, los cuales asesoran a compradores que tampoco conocen lo que están comprando; mantenedores que modifican piezas y materiales sin ningún criterio técnico; operadores que nunca calculan el efecto de sobrepasar las resistencias de sus equipos por necesidades de producción, y decenas de ejemplos más. Por ello, se deduce que es muy importante la preocupación de la organización por capacitar su personal para que sea competente en su función, y ello, por supuesto, significa invertir.

Siempre que sea posible es deseable que exista una alianza entre fabricantes de equipos y usuarios, que les permita a ambos mejorar la estimación y medición de las resistencias y solicitaciones reales, de forma que se mejore en últimas la confiabilidad de los equipos.

Cuando se trabaje con un equipo que se base en una nueva tecnología o un nuevo diseño, es probable que se tenga una menor confiabilidad de este respecto a otros equipos basados en tecnologías o diseños suficientemente probados, lo cual debe tenerse en cuenta a la hora de escoger entre uno u otro. Lo anterior implica que no necesariamente las últimas tecnologías son las más confiables, aunque tengan promesas de mayor productividad, por ejemplo; estos casos son muy comunes en la industria minera y de petróleos; así pues, se deberá sacar cuentas sobre si el muy probable aumento en costos de mantenimiento es suficientemente compensado con el aumento en la productividad.

Es importante recordar la relevancia de determinar la causa raíz de falla (responsables humanos y organizacionales), y no solo la fuente de la falla (sistema o proceso responsable de la falla), pues de este modo se asegura que al implementarse las recomendaciones, cambien actitudes de personas, procedimientos, políticas, asignación de recursos, etcétera.

Ningún elemento, equipo o estructura diseñada y construida por el hombre está libre de fallas, sin importar el cuidado y esmero puesto por los diseñadores, el grado de sistemas de control e instrumentación empleados, el grado de capacitación, etcétera, ya que tanto las solicitaciones como las resistencias al ser variables aleatorias, conllevan a que siempre haya una probabilidad mayor a 0 de tener una solicitación igual o superior a la resistencia, o en otras palabras, la incertidumbre asociada con estas variables solo deja como certeza que la confiabilidad nunca será del 100 %.

Toda organización o persona tiene derecho a equivocarse, por lo que el objetivo final de un análisis de fallas no debe ser punitivo sino educativo, para hacer caer en cuenta a las organizaciones y personas sobre lo que están haciendo mal e indicarles cómo mejorar. Por supuesto, lo anterior excluye la etapa del análisis de ingeniería forense. Si durante un análisis de fallas predomina lo punitivo dentro de la organización, será difícil encontrar las causas raíces y mejorar, ya que la información será ocultada deliberadamente por el personal involucrado.