Reconocimiento de las causas y riesgos del bloqueo por sedimentos

¿Qué sabe sobre el bloqueo por sedimentos? Esta condición común causa una falla inminente de movimiento en ciertas máquinas. Si bien este tipo de falla generalmente no implica desgaste o daño interno permanente a la máquina, es repentina y abrupta. El bloqueo por sedimentos es el resultado de la contaminación sólida y es magnificado por otras condiciones que deben ser controladas en la medida de lo posible. Con mayor frecuencia se asocia con sistemas hidráulicos y produce la obstrucción o atascamiento de componentes.

Debido a su falta de advertencia o de previsibilidad, el bloqueo por sedimentos es responsable de algunas de las catástrofes más devastadoras y destructivas en maquinaria mecánica. Entre estas se incluyen pérdidas mecánicas, pérdidas de producción prolongadas e incluso pérdida de vidas humanas. Se ha descubierto que el bloqueo por sedimentos es la causa raíz de innumerables fallas relacionadas con aviones, naves espaciales, automóviles, elevadores, turbinas de generación, grúas hidráulicas, etc.

Válvulas electrohidráulicas propensas a obstrucción

Las válvulas electrohidráulicas se utilizan ampliamente en los sistemas hidráulicos modernos. Conjugan la respuesta inmediata del control eléctrico con la alta potencia de la hidráulica. En otras palabras, convierten rápidamente la energía eléctrica en poderosa y sensible energía mecánica. Debido a que la estructura de estas válvulas es generalmente más complicada e intrincada que las válvulas de control ordinarias, son menos tolerantes a la contaminación sólida.

Algunos ejemplos típicos de estas son las válvulas solenoides, las de modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés), las de control proporcional y las servo-válvulas. Por ejemplo, las válvulas electrohidráulicas son críticas para el desempeño de turbinas de vapor e incluyen válvulas de mariposa para vapor, válvulas solenoides de disparo y válvulas interceptoras. En turbinas de gas, es posible que tenga una válvula de paletas en las guías de entrada (en unidades pico) y/o una válvula de control de gas (en unidades de carga base).

Como se muestra en la Figura 1, las partículas de sedimentos inferiores a 10 micrones pueden entrar en los claros entre el carrete y el cilindro en la trayectoria de flujo. Esta obstrucción del espacio libre puede dar lugar a un aumento de la fricción estática del carrete cuando se acciona la válvula. Esto puede causar un movimiento de atascamiento/deslizamiento (stick-slip), que también se conoce como una condición hard-over. Las servo-válvulas son particularmente propensas a esta forma de falla por contaminantes debido a sus altas exigencias de desempeño. Por ejemplo, un atascamiento/deslizamiento en el movimiento de una válvula del sistema hidráulico de un avión podría causar la pérdida de control crítico durante una secuencia de aterrizaje.

Figura 1. Las partículas de sedimentos migran dentro de los claros
entre el carrete y el cilindro de una válvula, aumentando
la fricción cuando se acciona la válvula.

Factores críticos de riesgo

Generalmente, las partículas del tamaño de los sedimentos no actúan solas cuando causan fallas inminentes de movimiento. La mayoría de las veces, es un esfuerzo colectivo el que aumenta tanto la magnitud como la frecuencia del riesgo. Estos factores de riesgo se describen a continuación:

Tamaño de partículas y claro dinámico

En las válvulas, el bloqueo por sedimentos ocurre generalmente como resultado de una posición excéntrica del carrete mientras descansa en el orificio. Debido al peso del carrete, el juego anular varía de menos de un micrón en la parte inferior a 10-50 micrones en la parte superior. Una sola partícula germinadora puede ser todo lo que se necesita para sembrar el proceso de obstrucción, como se muestra en la Figura 1. Esta partícula primaria reduce el espacio libre, permitiendo que las partículas secundarias más pequeñas y en mayor cantidad se acumulen en el claro dinámico. Estas partículas secundarias son “los sedimentos” que causan la alta fricción estática (movimiento intermitente o bloqueo total), dando como resultado una falla inminente de movimiento.

Al igual que ocurre con el desgaste causado por partículas sólidas, el tamaño de las partículas es importante. Las partículas muy grandes no pueden entrar en el claro de trabajo y son echadas a un lado. Las partículas muy pequeñas pasan a través del espacio libre sin restricción. Sin embargo, las partículas de tamaño del claro dinámico causan el mayor riesgo. Esto se ve en la Figura 2, en donde las partículas de 10 micrones presentaron una mayor fricción estática en las válvulas de carrete en comparación con las partículas que eran de más de 30 micrones y las que eran menores a 5 micrones.

Figura 2. Las partículas del tamaño del claro dinámico
incrementan el riesgo de bloqueo por sedimentos

Tiempo estático o en reposo

Muchas válvulas están en movimiento constante, mientras que otras permanecen en reposo hasta que se necesitan. Ejemplo de estas pueden ser las válvulas del gobernador en un sistema electrohidráulico de control (EHC) de una turbina, o las válvulas hidráulicas del tren de aterrizaje de un avión. Cuando una válvula permanece en reposo, la trayectoria de flujo a través de la zona de sedimentos (la zona donde se acumulan las partículas pequeñas) queda expuesta a más y más partículas. Con suficiente tiempo de reposo, la acumulación de partículas (obstrucción) es suficiente para detener el movimiento de la válvula y provocar la falla inminente del movimiento. La influencia del tiempo de reposo se puede observar en la Figura 2.

La mayoría de las válvulas de las aeronaves mitigan el tiempo de reposo/riesgo de obstrucción manteniendo en movimiento el carrete de la válvula, una condición de diseño llamada “tintineo”. Sin embargo, como la mayoría de los pilotos experimentados le dirán, estas válvulas llegan a pegarse en alguna ocasión. El público de televisión fue capaz de ver un ejemplo de obstrucción de válvulas inducido por contaminantes hace unos años en el programa “America’s Funniest Home Videos”. Un Abraham Lincoln de tamaño humano, accionado hidráulicamente, se observó moviéndose erráticamente durante una presentación efectuada en el Salón de los Presidentes de Disneyworld

Presión diferencial del aceite

El aceite siempre está tratando de pasar de alta a baja presión. En las válvulas electrohidráulicas típicas, el espacio anular entre el carrete y el cilindro es todo lo que separa la alta presión de la baja presión. El aceite pasa a través de este pasadizo a una mayor velocidad y con crecientes presiones de operación. Esto da lugar a que haya más partículas expuestas a las zonas de sedimentos y más fuerza de compactación sobre las partículas, produciendo fricción estática.

Contaminación con agua

El agua libre y emulsionada en el aceite atraerá preferentemente a la mayoría de las partículas sólidas, como la tierra. El enlace de hidrógeno en las moléculas de agua provoca fuertes fuerzas de atracción similares a la acumulación de arena húmeda. Estudios de laboratorio han demostrado que la humedad agrava drásticamente la obstrucción en válvulas, orificios, derivaciones y otros caminos de flujo de diámetro pequeño.

Barniz y lodo

El barniz es un depósito suave y pegajoso que se acumula en las superficies internas de la maquinaria. Tiende a ser más severo en las superficies metálicas que están más frías que el aceite. El barniz se condensa sobre estas superficies frías, produciendo un residuo pegajoso. Las superficies de las válvulas electrohidráulicas son un destino común para los insolubles de barniz en el aceite. Las partículas cercanas pueden quedar atascadas en estas superficies adherentes. Esta condición se conoce como el efecto “papel atrapa-moscas” (vea la figura 3). El resultado sinérgico aumenta en gran medida el riesgo de bloqueo y obstrucción por sedimentos.

Figura 3. Partículas en “papel atrapa-moscas”

Control del riesgo de bloqueo por sedimentos

Los profesionales del mantenimiento y la confiabilidad no tienen la capacidad requerida para rediseñar la maquinaria o aún de cambiar las demandas operacionales para reducir el riesgo de bloqueo por sedimentos. Sin embargo, pueden influir en las condiciones a las que están expuestos la maquinaria y sus componentes. Entre estos se incluyen el control de contaminación con partículas (exclusión y remoción), la contaminación con agua y el potencial del barniz. Con una atención diligente y adecuada, no solo se reduce significativamente el riesgo de bloqueo por sedimentos, sino también el riesgo de modos de fallas por desgaste y corrosión.

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.