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Articulo cientifico evaluacion de integridad
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Articulo cientifico evaluacion de integridad

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  • 1. De las Estructuras, Equipamientos Industriales y su Evaluación deIntegridad(Structures, Industrial Equipment and Integrity Assessment)Miguel Jordy Oribe PretelResumen:En efecto el objetivo principal de este artículo científico es enriquecer en buena medida acerca de lasperspectivas, de las valoraciones, criterios y consideraciones que se pueden apoyar y sustentar en la idea de lo quees una evaluación de la integridad de la estructura, cuya importancia radica en que la estructura en si seconstituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en función de laindustrialización alcanzada en la región o país donde se requiera y utilice.Palabras clave: daño, integridad estructural, deformación, interferometria, fracturas, optimización, vida útil, vidaresidual, corrosión, fatiga, micro estructural.Abstract:In fact the main objective of this scientific paper is to enrich largely on the prospects of the ratings, criteria andconsiderations that can support and sustain the idea of what is an assessment of the integrity of the structure, theimportance is that the structure if they are a building system widespread in several countries, the use of which tendsto grow in terms of industrialization achieved in the region or country where required and used.Keywords: damage, structural integrity, deformation interferometry, fractures, optimization, useful life, residual life,corrosion, fatigue, microstructure.Daño, detección y caracterización son tres conceptos claves que constituyen la base de unanueva disciplina que se conoce como integridad estructural.Daño se refiere a una imperfección de un componente que puede ser inducida durante lamanufactura o en servicio.Detección es un concepto relacionado a una técnica experimental que permite comprobar laexistencia de un daño en un material dado o en una estructura. Finalmente, caracterización serefiere a una técnica analítica o numérica, que permite cuantificar la geometría y extensión deun daño a partir de las mediciones obtenidas de la técnica que detecta.La ciencia de la integridad estructural se inclina por la caracterización temprana de daños yla predicción de la vida remanente de componentes de maquinaria y estructuras civiles en
  • 2. servicio. Se fundamenta en la solución de problemas inversos, en los cuales medicionesexperimentales (de deformación, distribución de temperatura, etc.), realizadas sobre loscomponentes mecánicos en servicio, son utilizadas para determinar matemáticamente laexistencia de daños y sus características en términos de posición, orientación y tamaño.Las mediciones de campos de deformación, obtenidos a través de la técnica deinterferometría, son utilizadas para caracterizar fracturas sub-superficiales en componentesmecánicos. El problema inverso se reformula como un problema de optimización en el cual seminimiza la diferencia entre el campo de deformación medido y el campo de deformaciónobtenido a través de un modelo de elementos finitos del componente. Dada la complejidad dela topología del espacio de optimización, algoritmos genéticos son usados para la solución delproblema de optimización.Para los países de Sudamérica es hoy una tecnología esencial la extensión de la vida útil delas instalaciones industriales, que se hallan seriamente embarcadas en un proceso deintegración y recuperación económica e industrial. Se da una importancia de las tecnologíasasociadas al aseguramiento de la integridad estructural y de la vida útil en su extensión, estoevidentemente concentrada por el grado de confiabilidad en que se hallan muchoscomponentes de las plantas industriales, centrales de generación eléctrica y estructuras civilesde la región. En muchos casos, el equipamiento se halla próximo a la finalización de la vida útil,se mantiene en servicio debido a que se da la acción del personal de mantenimiento. Se veválido, por ejemplo, para los sectores de generación de energía eléctrica y de la industriapetroquímica, cuyas vidas de proyecto están entre 20 y 40 años. Situaciones semejantes sedan en el campo de la ingeniería civil, donde las grandes edificaciones (edificios, represas,puentes y viaductos) son tan importantes desde el punto de vista social y también desde elpunto de vista del costo de reposición.Para poder dar algunos datos numéricos puedo citar sin duda lo prescrito por PROMAI(Proyecto multinacional de Evaluación de integridad de Equipamiento Industrial) “que seencuentran en acciones de empresas privadas y de los gobiernos de los países; en el sectorde generación de energía de Brasil en 1989, 51% de las unidades hidroeléctricas y 42% de lastermoeléctricas tenían más de 20 años. En el año 2000 estos números crecieron para 83% y62% respectivamente...”Se debe dar a la par una política de construcción de unidades nuevascon una política de extensión de vida para que aumente en términos absolutos y relativos su
  • 3. capacidad de generación de energía en el sector en mencionado caso... Se evidencia que masallá de los detalles de las concesiones esta claramente mostrada la necesidad de la evaluaciónde integridad y monitoreo de los elementos estructurales, para proporcionar seguridad alusuario lograr extender la vida útil de las estructuras diversasUna de las principales exigencias actúales de las áreas de producción, mantenimiento yseguridad es implementar una política económicamente viable aunque pueda evaluar laintegridad de sus equipamientos y estructuras, cuantificando el grado de daño acumulado,previniendo su vida residual programando acciones para su extensión de vida. A través de laspolíticas se procura:Responder a la sociedad que hoy demuestra una mayor concientización de los conceptos deseguridad, confiabilidad calidad y cuidado del medio ambiente, extender la vida de losequipamientos existentes, aumentar la productividad alterando los parámetros de procesos yoperación pero manteniendo los mismos equipamientos y estructuras, evitar catástrofes yaltos costos debidos a grandes pérdidas humanas y materiales, lucro cesantes y utilizaciónparcial de su mantenimiento.Los conceptos de seguridad y eficiencia económica han sido en los últimos años los factoresdominantes en el desarrollo de procedimientos de fabricar e inspección de estruccion yequipamiento industrial en los países desarrollados .Se presenta asociaciones internacionalesque agrupan a los legisladores, empresarios , ingenieros y empresas de seguridad en el mundohan realizado grandes esfuerzos para la racionalización de los procedimientos de evaluación ymejora de la seguridad de equipamientos y estructuras. Algunas de las asociacionesinterdisciplinarias que han producidos recomendaciones son: ISTLI (International Society forTechology Law and Insurance), EPRI (Electric Power Research Intitute, U.S.A.), entre otros.La decisión de realizar una Evaluación de Integridad Estructural o no realizarla y de sugrado de alcance, depende de varios puntos. Esta es la decisión gerencial que debe contarcon un extenso apoyo técnico y también incluir análisis de costos y riesgos. Se deben de teneren cuenta puntos determinados en la decisión de cuando y como intervenir en la estructurapara hacer la evaluación.La estructura alcanza una determinada vida, dada por condiciones impuestas por elproyecto, por recomendaciones del fabricante o constructor, por norma en la cual el proyecto sebasó, o por (nuevas experiencias), la evaluación de integridad estructural se hace necesaria.
  • 4. Ocurre un accidente en una estructura similar; las similaridades deben incluir todo tipo deestructura, procedimientos operación y vida de operación de la estructura; ocurren indicios deque están surgiendo problemas, tales como constatación de fisuras a partir de inspeccionesperiódicas, aumento de los costos de mantenimiento, pequeñas accidentes. Son necesarioscambios en los niveles de solicitaciones, tipos de actividades y rediccionaminto de uso de laestructura, que no sean cubiertas por el proyecto; que se constate que los riesgos involucradoscon su operación cambiaron tal como la ocurrencia poblacional alrededor de laestructura/unidad; que se constate la necesidad de cobertura técnica para la adecuación a lasnuevas exigencias de los programas de calidad, leyes de protección al consumidor,implementación de seguros y nuevos interpretaciones sobre responsabilidades civiles.El diseño de componentes y estructuras en ingeniería debe prevenir la aparición deprocesos de Corrosión Bajo Tensión (CBT) o Corrosión Fatiga (CF), o bien, asegurar uncomportamiento en servicio bajo condiciones de seguridad idóneas. Este objetivo puedealcanzarse mediante una adecuada selección de materiales, a través del control del medioagresivo o minimizando el estado tensional. A pesar del diseño óptimo las fisuras puedenpropagar o hacerlo a velocidad superior a la esperada por varias razones: alteración de lascondiciones de servicio para mejorar el proceso, presencia de áreas con soldadurainapropiada, variaciones transitorias de la temperatura o las condiciones ambientales, cambiossuperficiales del material (ejemplo: depósito de capa oxidante) o envejecimiento; otras veces lautilización del material idóneo para la aplicación no es económicamente viable o laspredicciones realizadas en función los ensayos de verificación de propiedades no son realistas,etc. Por todo ello es necesario un procedimiento de actuación, para evaluar el riesgo defisuración en servicio o analizar las condiciones de fallo, cuando las fisuras son detectadasLos alcances y la profundidad de una E.I.E., bajo el aspecto gerencial, deben ser decididostomando en cuenta los siguientes puntos según el autor “(PROMAI, J.L. de F. FREIRE, J.CASTRO, JL. OTEGUI, C. MANFREDI, p. 15). :Costo de recuperación del equipamiento o estructura.Riesgo de accidentesCosto y riesgo de catástrofes.Costo de mantenimiento extemporáneo o prolongado.Costo de lucro cesante y su reacción en cadena.
  • 5. Nivel de documentación técnica del equipo o estructura disponible, proyecto (memorias decálculo), registro de inspecciones, existencia de programas de inspección y monitoreo.Existencia de dispositivos de seguridad.Una evaluación del grado de conocimiento de la estructura comparado con los ítems antesmencionados.Costo ecológico derivado de derrames o perdidas, compromiso con la calidad ecológica.Se trata pues de una investigación multidisciplinar e interdepartamental en donde realizandotrabajos de investigación aplicada, , que contemplan tanto el cálculo mediante elementosfinitos, el desarrollo y la aplicación de modelos de daño dúctiles y frágiles con objeto decuantificar la progresión del daño interno generado al cargar mecánicamente elementosagrietados (probetas, componentes y/o estructuras reales), la caracterización mecánica de losmateriales, incluida la predicción y el análisis del comportamiento a fractura y fatiga y laoptimización micro estructural de los materiales metálicos utilizados en aplicaciones industrialesvariadas y el estudio de sus uniones soldadas.Estudios a fatiga y fractura, análisis de componentes en fase de diseño y la aplicación de lastécnicas de evaluación de la integridad estructural permite definir diseños estructurales ymecánicas menos susceptibles de sufrir procesos de fractura, fatiga, fluencia o corrosión. Laelección adecuada del material, la técnica de soldadura más apropiada o los radios de acuerdoen los detalles estructurales son algunos de los ejemplos en los que los servicios de integridadestructural permiten a fabricantes investigadores, profesionales de ingeniería diseñarcomponentes y estructuras más seguras y económicas.Apoyo en el proceso de fabricación y montaje conjuntamente con las técnicas de integridadestructural resultan una herramienta muy útil durante la fabricación y el montaje decomponentes industriales, siendo un factor de competitividad clave.La determinación de defectos máximos tolerables adecuados en los productos terminados ola determinación de la incidencia en la integridad estructural de daños mecánicos causadosdurante la fabricación o el montaje son algunos de los muchos ejemplos en los que un debidoequipo de ingenieros presta su apoyo y asesoramiento a muchas otras empresas o personalestécnicos encargados.
  • 6. Evaluaciones en servicio y la gestión adecuada de las estructuras y componentesindustriales es un factor clave para la competitividad de la industria. Una vez en servicio, lasestructuras y componentes desarrollan defectos (generalmente fisuras) cuya incidencia en suintegridad estructural no es evidente, ya que fisuras pequeñas pueden causar roturasinesperadas y, por el contrario, fisuras de gran tamaño pueden no tener influencia alguna en laestructura. Si no se aplican las técnicas de integridad estructural se pueden llegar a producirroturas catastróficas o realizar reparaciones o sustituciones de equipos innecesarias, de nuevopermitiendo evitar este tipo de situaciones.Solo desde el conocimiento de las causas que originan los fallos de estructuras ycomponentes industriales es posible evitarlos en el futuro.Se atesora una amplísima experiencia en el ámbito del análisis de fallos, determinando lascausas de las roturas de los componentes fabricados, o que forman parte de las instalaciones yequipos de los mismos. De esta manera es posible, por ejemplo, recomendar modificacionesen la geometría, el uso de otros materiales, nuevas condiciones de trabajo, determinarresponsabilidades, etc.Es indiscutible que en la actualidad cada día cobra mayor importancia el “análisis de laIntegridad Estructural” y “Evaluación de la Vida Residual” de las instalaciones industriales congran número de horas de explotación, teniendo como objetivo fundamental garantizar ladisponibilidad, confiabilidad, seguridad y cuidado del medio ambiente. Para suplir estasnecesidades, en este trabajo se realiza un estudio de los mecanismos de degradación queafectan a los economizadores de calderas, la evaluación de los resultados de averías einspecciones realizados en un eco de una central termoeléctrica y se proponen las medidascorrectivas con un programa de inspección y diagnóstico de estos componentes basado en losresultados obtenidos. Para hacer análisis de las bases de datos existentes, se utilizan técnicasde control de la calidad y confiabilidad para detectar los puntos críticos de los problemasencontrados.Aunque una estructura sea capaz de soportar de manera segura todas las solicitaciones dediseño convencionales, es posible que sufra daños localizados provocados por cargaslocalizadas excepcionalmente elevadas como las provocadas por las explosiones de gases olíquidos industriales, el impacto de un vehículo, el impacto de objetos extraños, y los efectos de
  • 7. vientos de velocidades muy elevadas como los que se producen durante un tornado. Engeneral estas cargas o eventos excepcionales no constituyen consideraciones de diseño. Laintegridad global de una estructura de hormigón armado por ejemplo ante estas cargasexcepcionales se puede mejorar considerablemente introduciendo algunos cambiosrelativamente menores en los detalles de armado, mejorando la redundancia y la ductilidad delas estructuras. Esto se logra colocando, como mínimo, alguna armadura continua u otrosmétodos para vincular entre sí los elementos de la estructura. Si se producen daños en unelemento estructural principal, o en situaciones de cargas excepcionales, la armadura paraintegridad estructural ayuda a restringir los daños resultantes a un área relativamente pequeñade la estructura, con lo cual mejora su estabilidad global.No se pretende que las estructuras se diseñen para resistir un colapso generalizadoprovocado por usos indebidos ni para resistir cargas excepcionalmente elevadas que actúandirectamente sobre una gran parte de la estructura. El colapso generalizado de una estructura,tal como el que podría provocar un evento como un bombardeo o un alud, están fuera delalcance de todos los métodos de diseño generales.Según algunos autores por ejemplos mencionan los tipos de evaluaciones a nivel:Sector nuclearEvaluaciones de integridad estructural de componentes. Cálculos de fractura y fatiga eninternos del reactor.Sector eólicoDiseño y evaluación de componentes de aerogeneradores (onshore y offshore).TransportesControl de calidad, análisis y diseño. Reducción de costes y aumento de fiabilidad.Industria química y petroquímicaAnálisis de sistemas de tuberías, accesorios y componentes estructurales. Evaluación dedegradación por corrosión.Generación térmicaCálculos tensionales y simulación de elementos sometidos a altas temperaturas.También se puede llegar dentro del Análisis de integridad estructural a:Análisis de fallosSimulación numéricaCaracterización mecánica y química de materiales.
  • 8. La descripción de la metodología de la evaluación de la integridad estructural se va a dar apartir de la definición de la naturaleza de las fisuras La primera etapa consiste en lacaracterización completa de la fisura en términos de tamaño, forma y localización en relacióncon concentradores de tensión, áreas de soldadura y otro tipo de singularidades. En caso depresencia de varias fisuras debe evaluarse su densidad y el espacio entre las mismas convistas a posibles interacciones presentes o inducidas durante la etapa de propagación.Identificación de causas de la fisuración La presencia de grietas debe asociarse a algúnproceso mecánico concreto por ejemplo: corrosión-fatiga, corrosión bajo tensión (CBT), etc.Ésta tarea no siempre resulta sencilla, a menos que las condiciones de servicio permitandiscriminar alguna de las variables, como puede ser la ausencia de tensiones cíclicas con eltiempo.La identificación de mecanismos de CBT como causantes de un proceso de fisuraciónpuede, en algunos casos, como ocurre la presencia de fisuras con ramificación, realizarsemediante inspección visual, pero en la mayor parte de los casos la experiencia previa y unexamen exhaustivo son insustituibles. La presencia de tensiones cíclicas potencia la posibilidadde que el mecanismo de propagación sea corrosión fatiga. En este caso, la forma de la onda detensión juega un papel dominante en ambientes agresivos, disminuyendo su efecto a medidaque aumenta la frecuencia, también las condiciones de servicio que deben ser definidasincluyen estado tensional y ambiental. En el primer caso es necesario asumir o hacer hipótesisrazonables sobre las tensiones de trabajo en la estructura, incluyendo las que aparecendurante las operaciones normales de funcionamiento (principalmente estáticas o cíclicas ecarácter aleatorio), tensiones transitorias asociadas a de arranque y/o parada en componentes,las de tipo residual asociadas a la presencia de soldaduras o las inducidas por el proceso delaminación y la presencia de tensiones multiaxiales. Entre todas, las tensiones de tipotransitorio resultan ser las más críticas en el proceso de iniciación y propagación de fisuras,siendo, por otro lado, las que presentan una caracterización más problemática en ensayos delaboratorio.La definición de las condiciones ambientales puede ser un objetivo aún más desafiante. Sibien las condiciones ambientales de servicio resultan normalmente bien conocidas ycaracterizadas, estas pueden variar localmente debido a cambios en la naturaleza,concentración o temperatura del medio, provocando una fuerza inductora del proceso defisuración diferente a la calculada.
  • 9. Factores como el cambio en la concentración de iones, procedentes de procesos decorrosión locales, que son especialmente activos en procesos de intercambio de calor a altastemperaturas, representan un elemento crítico en la iniciación de procesos de CBT. Otrosfactores a considerar son la variación de temperaturas, la presencia de oxígeno, etc. Lacorrecta evaluación del medio requiere un análisis histórico de la evolución del mismo.Con suma importancia de las propiedades de los materiales se verifica en asegurar si elmaterial actualmente existente coincide con el definido en la etapa de diseño. De igual mododebe comprobarse la orientación micro estructural del material en relación con las tensionesprincipales aplicadas.Una característica singular de los materiales procedentes de laminación y con estructura degrano alargada es la asimetría de comportamiento frente a procesos de CBT en direccioneslongitudinal y transversal, acabado superficial y trabajo en frío. En los ensayos en laboratoriolas piezas presentan, normalmente, un buen acabado superficial. En servicio, los materiales nopresentan la misma calidad superficial al ser suministrados tal como finalizan el proceso delaminación en frío. Debido a este factor aparecen tensiones superficiales, capas deformadas,zonas endurecidas locales, e incluso áreas con cambios de fase. Por estas razones, lafiguración por procesos de CBT en servicio no siempre puede reproducirse correctamente pormedio de ensayos en laboratorio, a menos que seamos especialmente cuidadosos con losdetalles.Otro aspecto más importante a tener en cuenta en relación con la presencia de soldadurases la aparición de zonas con tensiones residuales junto con cambios en la microestructura y enlas propiedades mecánicas, especialmente la dureza, que conllevan comportamientossingulares a escala local frente a CBT. La problemática de las soldaduras en relación concambios micro estructurales y de comportamiento mecánico puede tener su origen en la propiacualificación de los procesos de soldadura, un aporte térmico demasiado elevado, unaselección de materiales de aportación que produzca efectos de fragilización en borde de granoo precipitación de fases pueden ser aspectos críticos en el comportamiento posterior enservicio. Todos estos factores no son siempre posibles de evaluar in-situ pero deben tenerse encuenta a la hora de realizar ensayos de caracterización y aplicar las técnicas de integridadestructural.
  • 10. Los materiales sometidos a efectos de altas temperaturas durante periodos de tiempo largospueden presentar fenómenos de envejecimiento; los cambios micro estructurales ymicromecánicos asociados pueden, a menudo, modificar el comportamiento frente a procesosde CBT. El daño por radiación asociado a aplicaciones de la industria nuclear conlleva unendurecimiento de los aceros y en algunos casos, en aceros austeníticos, una forma defragilización asociada a la pérdida de cromo en borde de grano, que no implica la formación decarburos. Además del efecto fragilizador descrito, la radiación y el envejecimiento térmicoprovocan la reducción de la tenacidad y, por tanto, del tamaño de fisura crítico que ocasiona larotura instable. También la recopilación de datos para evaluación de integridad frente a CBT,una vez identificada la misma como mecanismo causante de la presencia de fisuras, esnecesario obtener toda la información disponible sobre el comportamiento en CBT del materialestudiado, especialmente el factor de intensidad de tensiones umbral y la velocidad depropagación.El análisis de componentes y estructuras que contienen fisuras crecientes requiere ciertogrado de especialización y experiencia a causa de la complejidad inherente del mecanismo deavance de fisura. El análisis incluye el uso de una caracterización de la fractura e integraciónnumérica de una ley de crecimiento de fisura.Referencias bibliográficas:http://www.aaende.org.ar/sitio/biblioteca/material/TrabajoCORENDEEDEN.pdfhttp://oa.upm.es/204/1/04200512.pdfhttp://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/integridad-estructuralhttp://www.upc.edu/cmem/investigacion/comportamiento-mecanico-de-metales-y-ceramicashttp://www.materiales-sam.org.arhttp://www.gef.es/Congresos/23/pdf/4-15.pdfhttp://redalyc.uaemex.mx/pdf/496/49611945003.pdfhttp://www.slideshare.net/guest7801ac/paper-congreso-integridad-iapg-rbi-planta-de-tratamiento

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