UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO MAESTRA EN INGENIERA DE MANTENIMIENTO.

TESIS AUMENTO DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILIDAD DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA EN PLANTAS DE GENERACIN DE ENERGA ELECTRICA MEDIANTE LA DETECCIN DE GRIETAS POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (ULTRASONIDO) EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE.

INGENIERO MECNICO MARIO ESTUARDO DEL VALLE ALBUREZ

Guatemala, junio del 2009.

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO TESIS AUMENTO DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILIDAD DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA EN PLANTAS DE GENERACIN DE ENERGA ELECTRICA MEDIANTE LA DETECCIN DE GRIETAS POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (ULTRASONIDO) EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE. POR INGENIERO MECNICO MARIO ESTUARDO DEL VALLE ALBUREZ AL CONFERRSELE EL TTULO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERA DE MANTENIMIENTO. Guatemala, junio del 2009.

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERA

NOMINA DE JUNTA DIRECTIVADECANO VOCAL I VOCAL II VOCAL III VOCAL IV VOCAL V SECRETARIA Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Inga. Glenda Patricia Garca Soria Inga. Alba Maritza Guerrero de Lpez Ing. Miguel ngel Dvila Caldern Br. Milton De Len Bran Br. Isaac Sultan Meja Inga. Marcia Ivonne Veliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTICO EL EXAMEN DE DEFENSA DE TESISDECANO EXAMINADOR EXAMINADOR EXAMINADOR SECRETARIA Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos Ing. Carlos Humberto Prez Rodrguez Ing. Hugo Leonel Ramrez Ortiz Ing. Jorge Luis Puertas Jerez Inga. Marcia Ivonne Veliz Vargas

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San Carlos de Guatemala, presento a su consideracin mi trabajo de tesis titulado:

AUMENTO DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILIDAD DE MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA EN PLANTAS DE GENERACIN DE ENERGA ELECTRICA MEDIANTE LA DETECCIN DE GRIETAS POR ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS (ULTRASONIDO) EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE.

Tema que me fuera asignado por la Direccin de la Escuela de Estudios de Postgrado de la Facultad de Ingeniera, con fecha 13 de diciembre de 2008.

Ingeniero Mecnico Mario Estuardo Del Valle Alburez

ACTO QUE DEDICO A:

Claudia Mercedes, Mario Javier y Mara Mercedes Mario Augusto, Ana Graciela y Ana Patricia

INDICE GENERAL

NDICE DE ILUSTRACIONES ABREVIATURAS Y SMBOLOS GLOSARIO RESUMEN INTRODUCCIN OBJETIVOS 1. ASPECTOS GENERALES, COSTOS DE OPERACIN Y MANTENIMIENTO E INDICADORES DE OPERACIN 1.1 1.2 1.3 1.4 Generalidades Vigencia de las Centrales Diesel Indicadores de Disponibilidad y Confiabilidad Costos de Operacin y Mantenimiento

i iv v viii ix x

1 3 5 10

2. FALLA EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE 2.1 Desgaste en vlvulas de admisin y escape 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.3 Escape. Falla en vlvulas de Admisin y Escape y su incidencia en el Motor de Combustin Interna 34 Combustible Aceite lubricante Sistema de inyeccin Turbocargador 14 14 16 17 19 21

Programa de Mantenimiento de vlvulas de Admisin y

2.4 2.5

Anlisis e identificacin de la falla Incremento en costos de Operacin y Mantenimiento por falla de vlvulas de Admisin y Escape

41

63

3. MANTENIMIENTO PREDICTIVO Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE 3.1 3.2 3.3 3.4 Mantenimiento Predictivo y Ensayos No Destructivos Principios de Ultrasonido Equipo empleado para Ensayos No Destructivos de Ultrasonido en vlvulas de Admisin y Escape Procedimiento de inspeccin de Ultrasonido en vlvulas de Admisin y Escape 89 88 67 75

4. EVALUACION DE RESULTADOS DE APLICACIN DE ULTRASONIDO EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE 4.1 4.2 4.3 Pruebas de campo Evaluacin de resultados de operacin de motores Evaluacin de resultados en costos de Operacin y Mantenimiento CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFA ANEXOS 105 110 113 114 115 95 99

INDICE DE ILUSTRACIONES

GRAFICAS1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. Rendimientos de distintos tipos de Plantas Trmicas de Generacin Elctrica Eficiencia de Motores de Combustin Interna comparado con distintos tipos de Plantas Trmicas de Generacin Elctrica Vista superior de corona de pistn quemada Vista superior de corona de pistn perforada Sistema de control de viscosidad de combustible Turbocargador Vista de turbina de turbocargador Vista posterior de culata Corte de culata Maquina de rfaga de vidrio molido para limpieza de vlvulas Indicacin de blow-by en cono de vlvula de escape Indicacin de golpes en vstago de vlvula de admisin Corrosin en superficie de cono de vlvula de admisin Formacin de empedrado en vlvulas Agujeros de corrosin en vlvula de escape Medidas de vlvulas Mquina de pulido de vlvulas de alta precisin Repaso de superficie de sellado a vlvula de escape Repaso de superficie de sellado a vlvula de admisin Vlvulas antes y despus de pulido Aplicacin de pasta en superficie pulida Herramienta de asentamiento de vlvulas I 4 15 16 18 20 21 22 24 24 25 25 26 26 27 28 29 29 30 30 31 31 3

Vista inferior de culata con las vlvulas de escape quemadas y perforada 16

Material consumido en cara expuesta de vlvula a camara de combustin 28

25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. 40. 41. 42 43 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 52.

Inspeccin de superficie de contacto entre cono de vlvula y asiento de vlvula Asiento de vlvula antes y despus de pulido Mquina de pulido de asiento de vlvulas Correcto maquinado de asiento de vlvulas Vista de coronas de pistn daadas Vista de camisas de pistn daadas Cara inferior de culatas daadas Alabes de turbina daados Fallas de vlvulas de admisin y escape Recoleccin de muestras de piezas daadas Vlvulas quebradas Simbolos de rbol de falla Arbol de falla Vista de corte motor Clasificacin de ondas Dispositivo experimental para estudio de propagacin de ondas de Ultrasonido Aplicacin del mtodo de ultrasonido Palpador de haz recto Palpador de incidencia angular Equipo Panametrics Equipo Sonatest Calibracin y ajuste de equipo de ultrasonido Pantalla de osciloscopio con ondas secundarias Forma de inspeccin de vlvulas Seal de discontinuidad a diferente profundidad Seal de discontinuidad con respecto a la orientacin Seal de discontinuidad en fisuras de localizacin especial Inspeccin ultrasnica de vlvulas 82 84 86 87 88 89 90 91 91 92 93 93 94 32 33 33 34 35 37 38 39 40 50 51 52 53 60 81

ii

TABLASI II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI Valores iniciales para clculo de costo Operacin y Mantenimiento Resultados iniciales de costo de Operacin y Mantenimiento Matriz de Perfil de Riesgo Identificacin de causas races de la falla Definicin de consecuencias de la falla Verificacin de consecuencia en perfil de riesgo Verificacin de cumplimiento de tareas Resultados de costo de Operacin y Mantenimiento posterior a falla Resultados de pruebas de ultrasonido realizadas en vlvulas de admisin y Escape en motores A, B y C Control de vlvulas de admisin y escape en prueba de operacin ndices de Disponibilidad y Confiabilidad antes y durante la prueba de vlvulas inspeccionadas por ultrasonido Valores para clculo de costo Operacin y Mantenimiento con Inspeccin Ultrasnica a vlvulas de Admisin y Escape Resultados de costo de Operacin y Mantenimiento con inspeccin Ultrasnica a vlvulas de Admisin y Escape Comparativo de costos de Operacin y Mantenimiento Comparativo de resultados de costos de Operacin y Mantenimiento 108 109 109 106 103 97 98 10 11 48 58 59 61 62 66

Valores de clculo de costo Operacin y Mantenimiento posterior a falla 64

iii

ABREVIATURAS Y SIMBOLOS

Kg. m C cSt Mw. KJ US$ Ton g. hr. Kwh. cec O&M mm.

Kilogramo, (mil gramos) Metro Cbico Grado Celsius centiStoke Sumatoria Megavatios, (1 milln de vatios) Kilo joules, (mil joules) Dlares Americanos Tonelada Gramos Hora Kilo vatio hora Consumo Especfico de Combustible. Operaciones y Mantenimiento milmetros

iv

GLOSARIOViscosidad En un lquido, mide su tendencia a mantenerse unido y se manifiesta por su resistencia a fluir. Crudo Gasleo Petrleo bruto sin refinar. Tambin denominado diesel, compuesto fundamentalmente de parafinas y es utilizado como combustible en motores de combustin interna. Vatios Unidad de potencia expresada en unidades utilizadas en electricidad. Poder Calorfico Joule Cimac Expresa la energa mxima que puede liberar un combustible. Unidad del sistema internacional para esfuerzo y trabajo. Concilio Internacional de Motores de Combustin, entidad normadora y reguladora de fabricantes, usuarios, propietarios etc. de motores de combustin Amortizacin Trmino econmico y contable, referido al proceso de distribucin en el tiempo de un valor duradero. ISO Organizacin internacional no gubernamental, compuesta por representantes de los organismos de normalizacin nacionales, que produce normas internacionales industriales y comerciales.

v

Azufre

Elemento indeseable en el combustible que se quema en la cmara de combustin, formando gases que se transforman en lquidos corrosivos al reaccionar con el agua. Los compuestos de azufre pueden corroer las cmaras y los anillos de los pistones. El dixido de azufre generado por la combustin puede causar corrosin en las salidas de escapes a bajas temperaturas.

Viscosidad Cinemtica Medida basada en el tiempo que requiere una cantidad

determinada de combustible para fluir a travs de un tubo capilar. Densidad Cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

Punto de inflamacin Es la temperatura ms baja a la cual el combustible desprende vapores inflamables en cantidad suficiente para inflamarse momentneamente al contacto con una llama. Cenizas Representan los componentes incombustibles del combustible. Estos componentes pueden tener su origen en el combustible. Niveles altos de cenizas pueden causar taponamientos en los sistemas de inyeccin, depsitos en el cilindro y partes adyacentes, algunas cenizas son corrosivas y pueden adherirse a las vlvulas de escape. Altos niveles de ceniza pueden tambin reducir la eficiencia y causar daos a los turbo cargadores. Residuos de Carbn El Carbn residual indica la tendencia a formar carbn de un combustible y es expresado como porcentaje en peso. El combustible con alto residuo de carbn puede causar depsitos de combustin, particularmente cuando las mquinas estn marchando a baja carga. vi

Sedimentos

Contaminantes que normalmente proceden del almacenamiento y transporte del combustible. Todos los combustibles contienen sedimentos que consisten en residuos de hidrocarburos y materiales extraos. El anlisis de sedimentos totales esta diseado para determinar la cantidad de material no fluido en combustibles por un mtodo de filtracin.

Residuos catalticos Pequeas partculas de la catlisis (aluminio y xidos de silicio), usadas en procesos de refinacin, algunas veces quedan como residuos en el combustible. Estas alcanzan en tamao cerca de los 5 micrones hasta los 120 micrones y son de forma irregular, porosos, y extremadamente duros. Asfltenos Familia de compuestos qumicos orgnicos, resultan de la destilacin fraccionada del petrleo crudo y representan los compuestos ms pesados y por tanto, los de mayor punto de ebullicin. Viscosmetro Equipo utilizado para medicin de viscosidad del combustible.

vii

RESUMEN

Las plantas de generacin de energa elctrica por motores de combustin interna tienen una gran importancia en el suministro de energa elctrica para el pas, actualmente esta generacin alcanza un promedio anual de carga de un 40%. Es por esa razn que la disponibilidad y confiabilidad de las centrales de generacin por motores de combustin interna debe ser mxima cuando las condiciones del mercado energtico nacional o centroamericano as lo requieran. Actualmente los ndices de disponibilidad de los motores de generacin de energa elctrica oscilan alrededor de un 92 a un 95 % anual, con el presente estudio se demuestra que se puede incrementar esta disponibilidad en un 1 a 2% anual, igual caso con el ndice de confiabilidad se puede aumentar en un 1.5 % anual y alcanzar ndices de confiabilidad del 100% anuales con respecto a fallas de vlvulas de admisin y escape. Los costos variables de produccin se incrementan en un 3% por cada falla en las vlvulas de Admisin y Escape; puede reducirse este impacto econmico en los flujos de caja de las empresas realizando rutinas de Mantenimiento Predictivo y Ensayos No Destructivos por medio de Ultrasonido. El presente estudio muestra el procedimiento de inspeccin ultrasnica realizada a vlvulas de admisin y escape as como los resultados obtenidos en la operacin de motores por un periodo de 12 meses.

viii

INTRODUCCIN

El presente estudio aborda uno de los principales problemas de la industria de generacin de energa elctrica en el pas, la disponibilidad y confiabilidad de los motores de combustin interna para generacin de electricidad cuando se enfrentan problemas de anlisis complejo de a fallas en los elementos reutilizados de los motores que no presentan ningn tipo e indicacin de defectos siguiendo los procedimientos normados por los fabricantes; la definicin del problema es originado por fallas continuas en las vlvulas usadas de admisin y escape, las cuales se ha encontrado con fisuras y luego fracturas durante la operacin del motor, ocasionando un dao grave a otros mecanismos que interactan con ellas en la cmara de combustin como pistones, camisas de pistn, culatas, guas de vlvulas y turbocargadores. Al momento de suceder una falla de vlvulas de admisin o escape, el motor daado forzadamente tiene que salir de produccin de energa elctrica ocasionando prdidas no slo en el rea de produccin durante el tiempo que lleva la reparacin, sino tambin en el incremento del costo variable de Operacin y Mantenimiento, tal es el caso de repuestos que ser necesario reemplazar, muchos de ellos con escasez en el mercado. El estudio explica como evitar que las vlvulas de escape y admisin continen fallando y lleva a buscar un mecanismo o tcnica de Ensayos No Destructivos que nos advierta por medio de inspecciones cuando las vlvulas estn prximas a fallar y removerlas del motor. El Ultrasonido es una herramienta de mantenimiento predictivo que los Ingenieros de Mantenimiento utilizamos y es sumamente til en la solucin este tipo de problemas, con ella podemos detectar anormalidades en las vlvulas de admisin y escape al ser inspeccionadas durante Mantenimientos Preventivos programados. ix

OBJETIVOS

GENERALReducir el costo variable de produccin de energa elctrica de Operaciones y Mantenimiento; por fallas en vlvulas de admisin y escape en plantas de generacin de energa elctrica por motores de combustin interna.

ESPECFICOS1. Aumentar la Disponibilidad operativa en un 1.5% de los motores de combustin interna de la planta de generacin de energa elctrica. 2. Aumentar la Confiabilidad operativa en un 1.5% de los motores de

combustin interna de la planta de generacin de energa elctrica. 3. Elaborar procedimiento de monitoreo de condicin por ensayos no destructivos y de mantenimiento predictivo por ultrasonido en vlvulas de admisin y escape de motores de combustin interna de la generadora de energa elctrica.

x

1.

ASPECTOS GENERALES, COSTOS DE

MANTENIMIENTO E INDICADORES DE OPERACIN

1.1

GENERALIDADES Durante los aos 50 los motores de combustin interna basados en ciclo diesel fueron sustituyendo a las turbinas de vapor en propulsin naval. Principalmente se utilizaban motores de dos tiempos que, al trabajar con una velocidad mas baja, se podan acoplar directamente al propulsor. La evolucin posterior se concentr en la mejora de los motores de cuatro tiempos, ms rpidos, con menor peso y volumen. El combustible que se utilizaba era casi nicamente producto destilado, relativamente econmico en aquellos aos. Esos mismos motores se utilizaban para la generacin de energa elctrica en plantas estacionarias. El combustible en muy poco tiempo paso a ser el factor de mayor importancia en el establecimiento de los costos. combustible ms econmico. Los fabricantes de motores centraron sus esfuerzos en adaptar y mejorar sus mquinas para la utilizacin de productos residuales de las refineras como el combustible pesado, producto mucho ms econmico. La utilizacin de motores diesel para la generacin de energa elctrica se generaliz en plantas estacionarias de tamao mediano. Comenzaron tambin los problemas en estas plantas, atribuibles a la calidad de combustible. Esto provoc la bsqueda de soluciones que ofrecieran un rendimiento ms alto y la utilizacin de un

Para los usuarios, se trataba de problemas de diseo de las mquinas, no diseadas para utilizar el nuevo tipo de combustible que se popularizaba por su bajo precio. Para los fabricantes se trataba de un problema de mantenimiento, especialmente en lo referido a la inclusin de los nuevos componentes, centrfugas, filtros, etc., requeridos para el tratamiento de este nuevo tipo de combustible de peor calidad y a los que el usuario no estaba acostumbrado. Desde estas bases se evoluciona a la situacin actual en donde los fabricantes ya se han adaptado a la utilizacin de fuel pesado como combustible principal, ofreciendo mquinas y equipos auxiliares de tratamiento para la combustin de productos con densidades de 990 Kg. /m a 15C y viscosidades hasta 700 cSt a 50C. La oferta se diversifica y se especializa, y adems de las soluciones para la generacin en carga base con un combustible econmico, se desarrollan soluciones particulares para la utilizacin de crudo y gas como combustible, manteniendo el alto rendimiento de las mquinas del ciclo diesel. La utilizacin de destilado como combustible queda para las instalaciones de pequea potencia, donde prima la facilidad de instalacin y manejo frente a la economa de operacin. Se desarrollan tambin las mquinas duales, capaces de quemar tanto destilado como combustible pesado, para aquellas instalaciones de grupos de emergencia donde debe de primar la seguridad de funcionamiento y la conmutacin inmediata entre distintos combustibles, aade un mayor margen de seguridad frente a posibles fallos en el suministro.

2

1.2

VIGENCIA DE LAS PLANTAS DIESEL Los motores de combustin interna, frente a otro tipo de accionamiento primario, ofrecen la ventaja de su mejor rendimiento. gas, turbinas de vapor y ciclos combinados. En la figura 1 se comparan los rendimientos de distintas soluciones, motores diesel, turbinas de

fuente: anales de mecnica y electricidad

Figura 1 Rendimientos de distintos tipos de plantas trmicas de generacin elctrica. Una de las limitaciones de las plantas diesel es el tamao unitario de las mquinas. Las unidades instaladas de mayor potencia son de 60 Mw. por medio de motores diesel de dos tiempos. Acorde a grafica 1 sobre rendimientos, la tendencia natural en grandes instalaciones de generacin es hacia la instalacin de turbinas de gas en ciclo combinado, en donde se aprovecha el calor de los gases de escape para producir vapor, que se utiliza a su vez para generar energa elctrica en una turbina, obteniendo un rendimiento muy elevado en la instalacin. Como el tamao unitario de estos equipos puede llegar a ser muy alto, esta es la solucin mas difundida en aquellos pases donde el establecimiento de una red de transporte amplia y segura permite la concentracin de las unidades de generacin de gran tamao, en pocos lugares, obteniendo beneficios de economas de escala. 3

Esta no es la situacin que se da en los pases en vas de desarrollo como el nuestro ni en zonas aisladas, citamos el caso del departamento del Petn en donde el suministro elctrico es en base a dos centrales con motores diesel que proporcionan electricidad al departamento por medio del Sistema aislado de Petn. En estas circunstancias, la solucin ms eficaz suele ser la del establecimiento de plantas de generacin de potencia mediana, prximas a los lugares donde se produce el mayor consumo. Si coincide esta situacin con la falta de otros combustibles naturales en la zona, lo ms sencillo suele ser de dotar a la zona de un parque de almacenamiento de productos petrolferos, o utilizar los existentes, normalmente nacidos para proporcionar gasolinas y gasleos para uso industrial y domstico. En situaciones como el departamento de Petn, se producen oscilaciones en la demanda que tiene que ser atendida por una nica central durante las horas no pico y en el Sistema nacional interconectado algunas centrales diesel operan a carga parcial como Reserva Rodante Operativa en horas no pico. motores diesel. Aqu nuevamente nos encontramos con un comportamiento superior por parte de los Estos son capaces de mantener un mejor rendimiento trabajando a baja carga que lo que pueden ofrecer otras soluciones, segn lo comparado en la figura 2.

Figura 2

fuente: anales de mecnica y electricidad

Eficiencia de Motores de Combustin Interna comparado con distintos tipos de Plantas Trmicas de Generacin Elctrica 4

Puede observarse tambin en la figura 2 que el rendimiento de los motores diesel a 100% de carga tambin superior a las otras alternativas trmicas.

1.3

INDICADORES DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILIDAD Las actividades de operacin y mantenimiento en las plantas generadoras diesel se miden con parmetros que, enfocados a la toma de decisiones, son seales del monitoreo de su administracin, de esa manera se verifica que las actividades vayan en el sentido correcto y permiten evaluar los resultados. Estas seales son conocidas como indicadores de gestin. Un indicador de gestin es la expresin cuantitativa del comportamiento o desempeo de un proceso, en este caso la operacin y mantenimiento de la maquinaria, cuya magnitud, al ser comparada con algn nivel de referencia, puede estar sealando alguna desviacin sobre la cual se toman acciones correctivas o preventivas, segn sea el caso. Un indicador es una medida de la condicin de un proceso o evento en un momento determinado. Los indicadores en conjunto pueden proporcionar un panorama de la situacin operativa, de mantenimiento o cualquier proceso en general de la planta generadora. Emplendolos en forma oportuna y actualizada, los indicadores permiten tener control adecuado sobre una situacin dada, la principal razn de su importancia radica en que es posible predecir y actuar con base a las tendencias positivas o negativas observadas en su desempeo global. Los indicadores son una forma clave de retroalimentar la operacin y mantenimiento de la planta, y son ms importantes todava si su tiempo de respuesta es inmediato, o muy corto, ya que de esta manera las acciones correctivas son realizadas sin demora y de forma oportuna. 5

No es necesario tener bajo control continuo muchos indicadores, sino solo los ms importantes, los claves. Los indicadores que engloben fcilmente el desempeo total de la planta generadora deben recibir la mxima prioridad. Los indicadores de mxima prioridad para la operacin y mantenimiento de la central diesel son la disponibilidad y confiabilidad de la maquinaria, por supuesto existen otra serie de indicadores de control en la operacin global de la planta. Los principales beneficios derivados de los indicadores de disponibilidad y confiabilidad en la operacin de la planta se pueden enumerar: A - Monitoreo de la operacin y mantenimiento de la maquinaria de la planta: el mejoramiento continuo slo es posible si se hace un seguimiento exhaustivo a cada eslabn de la cadena operativa del proceso de generacin de energa elctrica. acciones. B - Benchmarking: si una planta generadora pretende mejorar sus procesos, una buena alternativa es traspasar sus fronteras y conocer el entorno para aprender e implementar lo aprendido, una forma de lograrlo es a travs del benchmarking para evaluar procesos y actividades y compararlos con los de otra central generadora diesel de similar equipo. Esta prctica es ms fcil si se cuenta con la implementacin de los indicadores como referencia. C Gerencia del cambio: un adecuado sistema de medicin les permite a las personas conocer su aporte en las metas de la organizacin y cules son los resultados que soportan la afirmacin de que lo estn realizando bien. Las caractersticas que tienen los indicadores de disponibilidad y confiabilidad son simplicidad, adecuacin (entendido como la facilidad de la medida para describir por completo el fenmeno o efecto; refleja la magnitud del hecho realizado y muestra la desviacin real del nivel deseado), valido en el tiempo, til y oportuno (capacidad para que los datos sean recolectados a tiempo e igualmente requiere que la informacin sea analizada oportunamente para poder actuar). 6 Las mediciones son las herramientas bsicas, no slo para detectar las oportunidades de mejora, sino adems para implementar las

Los indicadores de disponibilidad y confiabilidad resultan ser una manifestacin de los objetivos estratgicos de la organizacin a partir de su Misin; igualmente, resultan de la necesidad de asegurar la integracin entre los resultados operacionales y estratgicos de la generadora y reflejan la estrategia corporativa a todos los empleados. Los elementos de los indicadores de disponibilidad y confiabilidad son principalmente: A La definicin: expresin que cuantifica el estado de la caracterstica o hecho que quiere ser controlado. B El Objetivo: es lo que persigue el indicador seleccionado, indica el mejoramiento que se busca y el sentido de esa mejora, en el caso de disponibilidad y confiabilidad es la maximizacin. El objetivo en consecuencia, permite seleccionar y combinar acciones preventivas y correctivas en una sola direccin. C - Los valores de referencia: el acto de medir es realizado a travs de la comparacin y esta no es posible si no se cuenta con un nivel de referencia para comparar el valor de un indicador. D La responsabilidad: clarifica el modo de actuar frente a la informacin que suministre el indicador y su posible desviacin respecto a las referencias escogidas. E Los puntos de medicin: define la forma como se obtienen y conforman los datos, los sitios y momento donde deben hacerse las mediciones, los medios con los cuales hacer las medidas, quines hacen las lecturas y cual es el procedimiento de obtencin de las muestras. medidas. F La periodicidad: define el periodo de la realizacin de la medida, cmo se presentan los datos, cuando realizan las lecturas puntuales y promedios. G El sistema de procesamiento y toma de decisiones, el sistema de informacin debe garantizar que los datos obtenidos de la recopilacin de histricos o lecturas, sean presentados adecuadamente al momento de la toma de decisiones. Un reporte para tomar decisiones debe contener no solo el valor 7 actual del indicador, sino tambin el nivel de referencia. Ello permite establecer con claridad la manera de obtener precisin, oportunidad y confiabilidad en las

Para definir los indicadores de disponibilidad y confiabilidad de control en el proceso de operacin y mantenimiento de la central diesel, es importante el monitoreo de forma continua, ya que el seguimiento tiene un costo alto cuando no esta soportado por un verdadero beneficio. Podemos entonces definir la Disponibilidad como la cantidad de tiempo que esta disponible un equipo para formar parte de un proceso productivo o tambin como el tiempo total durante el cual el equipo esta operando satisfactoriamente, ms el tiempo que estando en receso, puede trabajar sin contratiempos durante un perodo. Su propsito es identificar y cuantificar los tiempos de interrupcin del servicio de los activos. La frmula para realizar el clculo de la disponibilidad mensual de un motor en la central de generacin diesel esta dado por:

( horas de operacin + horas en stand by) DISPONIBILIDAD % = __________________________________________________________________________ ( horas de operacin + horas en stand by + horas mtto correctivo no planificado + horas de mtto correctivo planificado + horas de mtto preventivo) X 100

Un valor de disponibilidad entre un 93 a 95% se considera muy bueno, acorde a los contratos entre operadores y propietarios de las centrales diesel. La Confiabilidad es el grado de confianza que nos da un equipo que no fallar en un perodo de tiempo determinado o tambin es la probabilidad de que un equipo pueda operar sin fallar durante un perodo estipulado. fallo se dice que el equipo es cien por ciento confiable. Su propsito es asegurar el servicio continuo de los activos. 8 El estudio de la confiabilidad es el estudio de fallos de un componente, si se tiene un equipo sin

La frmula para realizar el clculo de la confiabilidad mensual de un motor en la central de generacin diesel esta dado por:

( horas de operacin + horas en stand by) CONFIABILIDAD % = __________________________________________________________________________ ( horas de operacin + horas en stand by + horas mtto correctivo no planificado) X 100

La confiabilidad siempre es mayor o igual a la disponibilidad, el aumento de la confiabilidad (disminucin de imprevistos) trae enormes beneficios econmicos, en especial porque el proceso de generacin de energa elctrica posee alto costo por perdida de produccin. Los elementos que atentan contra la confiabilidad del sistema de produccin de energa elctrica son: A incorrecta operacin de motores y/o equipos auxiliares B incorrecta estrategia de mantenimiento C imprevistos D problemas de diseo y fabricacin Para minimizar ndices bajos de disponibilidad y confiabilidad es necesario tomar en cuenta los siguientes puntos: A - Estrategias de capacitacin de operadores y personal de mantenimiento. B Estrategias de mantenimiento predictivo (Anlisis de sntomas emitidos por los equipos), mantenimiento proactivo (minimizar causa raz de falla) y monitoreo de condiciones (anlisis peridico de vibraciones, anlisis de aceite y partculas de desgaste, termografa, ultrasonido, monitoreo de defectos elctricos, anlisis voso y las que se consideren pertinentes acorde al equipo en monitoreo). C Mantenimiento Centrado en Confiabilidad RCM D Mantenimiento Productivo Total TPM. 9

1.4

COSTOS DE OPERACIN Y MANTENIMIENTO Los costos variables de produccin de energa elctrica en una central diesel principalmente dependen del precio internacional del combustible, el restante es el costo de operacin y mantenimiento de la planta, a grandes rasgos. Ilustrando esta situacin, se toma el ejemplo de una planta pequea de 7 Mw. a depreciar a un plazo de 5 aos. Para evitar la comparacin con situaciones particulares, tales como exenciones de impuestos en la importacin de combustibles para instalaciones de generacin de energa elctrica, etc. se toman como base precios internacionales de referencia. Actualmente el clculo de costos se podra desglosar acorde a Tabla I (referencia bibliogrfica 10) en donde se toman los valores iniciales para el clculo (datos en base a precios de enero 2009). Estos clculos estn bastante simplificados y suponen la existencia de un terreno e infraestructura bsica. En la tabla II puede observarse los resultados de costos de operacin y mantenimiento obtenidos de los datos de tabla I.

Tabla I Valores iniciales para clculo de costo Operacin y Mantenimiento * Precio de combustible fuel oil pesado, con poder calorfico de 42700 KJ/Kg. y acorde a la norma CIMAC 10

K35 de requerimientos para combustibles residuales para motores diesel. * Precio de aceite lubricante. * Repuestos para perodo de 5 aos. * Costo de Operacin y Mantenimiento para perodo de 5 aos. * Consumo especfico de combustible (cec). * Consumo de aceite lubricante. * Horas de funcionamiento de planta, anual. * Factor de carga. * Produccin Kwh al ao. 400,000 US$ 210 g/Kwh. 2.30 Kg. /hr. 7000 100 % 49, 000,000 300 US$/ton 2200 US$/ton 800,000 US$

Tabla I I Resultados iniciales de costo de Operacin y Mantenimiento * Costos de Lubricante. = (consumo de lubricante * precio del lubricante * horas de operacin anual) / Kwh producidos al ao * Costo de Repuestos = (Repuestos para periodo de 1 ao) / Kwh producidos al ao. * Costo de Mantenimiento = (Costo O&M para periodo de 1 ao) / Kwh producidos al ao. 11 0.00163 US$/Kwh 0.00326 US$/Kwh 0.00075 US$/Kwh

* Total costo de Mantenimiento. * Costo Combustible = ((Consumo especifico de combustible, cec) * (Kwh. producidos al ao)/1, 000,000)) * (Precio de combustible) / Kwh producidos al ao * Costo total de Operaciones y Mantenimiento = (Costo total mantenimiento + Costo de combustible). Suponiendo un precio de US$ 5, 200,000 para una planta de estas caractersticas y su depreciacin en 5 aos. * Costo de inversin = (Precio de planta / No. de aos a amortizar) / Kwh. producidos al ao. * Costo total de Operaciones y Mantenimiento incluyendo amortizacin de la planta.

0.00562 US$/Kwh

0.0630 US$/Kwh

0.0686 US$/Kwh

0.02122 US$/Kwh

0.08985 US$/Kwh

Anteriormente se hizo la notacin que estos clculos presuponen la existencia del terreno e infraestructura bsica. Otro caso es donde se tiene que considerar todos los gastos inherentes a los estudios previos, garantas de cobro, establecimiento de contratos de suministro de combustible, financiamiento, terrenos, peajes y otros costos de desarrollo, que pueden llegar a alcanzar un 30% de los costos considerados para la construccin de la planta. Esto tendra que ser objeto de un estudio ms detallado. Un punto importante es la relacin entre costos de combustible / costos totales es del 70%, cuando en aos anteriores no sobrepasaba el 40%. 12

Ahora nos encontramos en una evolucin continua de mquinas cada vez ms eficientes y ms econmicas, frente a unos recursos naturales cada vez ms escasos. El reto, para las mquinas de combustin interna est en trabajar con combustibles de inferior calidad, fracciones mas pesadas en la destilacin del petrleo o crudos de poco valor, manteniendo niveles de emisin de contaminantes a la atmsfera reducidos; ste ser el reto de la siguiente dcada.

13

2.

FALLA EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE

2.1

DESGASTE EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE La operacin y el mantenimiento de los motores de combustin interna en centrales de generacin de energa elctrica es un trabajo de sumo cuidado, manteniendo las reglas de seguridad tanto para el personal como para los equipos, las protecciones de seguridad instaladas nunca deben removerse ni cambiarse, si hubiera algn elemento daado debe de reportarse inmediatamente para ser sustituido. Seguir las instrucciones y recomendaciones dadas por el fabricante en los manuales de operacin y mantenimiento, es la base para asegurar una larga vida del equipo, correcto desempeo y economa de la central diesel. Es de vital importancia que el departamento de operaciones de la Central Diesel realice un monitoreo y control estricto de las condiciones operativas del motor y que sean acordes a las instrucciones proporcionadas por el fabricante, ya que sta es la principal influencia en el cumplimiento de la expectativa de vida de los componentes de la cmara de combustin de alta compresin: vlvulas de admisin y escape, pistn y camisa de pistn. A continuacin se enumeran algunas instrucciones para el operador, que le ayuden a mantener la expectativa de vida de los componentes de la cmara de combustin y as asegurar costos de mantenimiento y operacin bajos.

2.1.1

COMBUSTIBLE La calidad del combustible pesado ha disminuido en los ltimos aos, muchos residuos del proceso de refinacin, procesos de manufactura industrial y de la industria qumica son aadidos al combustible, esto resulta en que los 14

combustibles tienden a tener pobre calidad de ignicin y una baja velocidad de combustin y la tendencia a formar dureza y componentes abrasivos, por estas razones las normas internacionales ISO y CIMAC aplican requerimientos generales para los combustibles, por el momento estas normas no proveen alguna informacin acerca de las propiedades de combustin de los combustibles. Los proveedores de combustibles se encuentran actualmente trabajando en definir propiedades y limites ms precisos. De tal manera que se ha vuelto muy difcil para los operadores de centrales diesel evaluar las propiedades de combustin en los combustibles pesados y hacerlos compatibles con las caractersticas de operacin de los motores diesel de gran tamao. Los combustibles con pobre calidad de ignicin conducirn al incremento en el nmero de pistones y vlvulas quemadas (figura 3), debido a la formacin de depsitos de combustible que eventualmente se quemarn o ardern en la corona del pistn o en las vlvulas de escape, en casos muy extremos esto puede resultar en vlvulas y pistones perforados (figuras 4 y 5). Desafortunadamente es un indicativo en la baja considerable de la expectativa de vida de estos componentes y el tiempo programado entre mantenimientos mayores. En el peor de los casos el vanadio contenido en el combustible puede actuar como catalizador en la formacin de cidos fuertes provenientes de los mismos constituyentes del combustible como el azufre.

Figura 3 Vista superior de corona de pistn quemada

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1 Figura 4 Vista inferior de culata con las vlvulas de escape quemadas y perforada.

Figura 5 Vista superior de corona de pistn perforada

Se recomienda al operador realizar anlisis de laboratorio del combustible en intervalos regulares o si se sospecha de un lote de baja calidad. El anlisis debe contener resultados de viscosidad cinemtica, densidad, punto de inflamacin, cenizas, residuos de carbn Conradson, sedimentos, agua, azufre, vanadio, residuos catalticos ( slice y aluminio ), contenido de componentes aromticos y asfltenos.

2.1.2

ACEITE LUBRICANTE El tratamiento del aceite lubricante tiene particular importancia en el aseguramiento de la correcta separacin y filtracin del aceite y para mantener un estricto control en los valores operativos del lubricante, ya que estos valores 16

tambin determinan en gran porcentaje el tiempo de vida para los componentes de la cmara de combustin; se recomienda realizar en periodos cortos de tiempo anlisis del lubricante que contengan resultados de: Viscosidad, muy importante en la formacin de la capa de lubricante de separacin entre metal metal de los elementos en rotacin y reciprocantes, lo cual evita daos mayores en los componentes del motor. Numero de Base Total (TBN), se caracteriza por la capacidad de neutralizacin en el aceite, a travs del aire de combustin y los formadores de cidos fuertes en el combustible que se introducen en la cmara de combustin; estos dos elementos forman cidos que deben de ser neutralizados para proteger a los elementos en la cmara de un ataque corrosivo. Contenido de agua, un pequeo porcentaje de agua en el aceite tiene efectos corrosivos, en casos extremos bajo ciertas condiciones de temperatura y presin, burbujas de vapor en el aceite pueden causar la interrupcin de la capa de lubricante entre metales, causando graves daos a los componentes de los motores, por ejemplo, en cojinetes de bancada central, cojinetes de biela etc. Porcentaje de elementos qumicos individuales, especialmente importante el contenido de vanadio, dependiendo del mtodo de medicin el contenido de vanadio puede indicar el incremento de combustible en el aceite lubricante, un alto porcentaje de combustible en el aceite del motor puede particularmente afectar el enfriamiento del pistn el cual tiende a quemarse (figura 3).

2.1.3

SISTEMA DE INYECCIN Particularmente se enfatiza la importancia del monitoreo de la correcta viscosidad de inyeccin del combustible, la conexin entre la viscosidad del combustible y su temperatura es utilizada para el control de la viscosidad de 17

inyeccin (figura 6), el viscosmetro esta constantemente capturando la corriente de viscosidad, en caso de discrepancias entre la viscosidad y el valor previamente fijado, el viscosmetro transmitir una seal al precalentador de combustible el cul regular la temperatura del combustible, esto ser realizado hasta que ya no haya discrepancia entre la corriente y el valor previamente fijado, una baja temperatura del combustible indicara alta viscosidad y viceversa. Debido a este principio de control, es muy importante evitar distancias largas entre el viscosmetro y las bombas de inyeccin en el motor, para asegurar que el ajuste de la temperatura actual del combustible alcance al motor.

Fuente: MaK CM43 O&M instructions

Figura 6 Sistema de control de viscosidad de combustible Problemas en caso del ajuste incorrecto de la viscosidad del combustible: Baja viscosidad: Atrancamiento de las bombas de inyeccin debido al decremento de lubricacin en el mbolo. Formacin de burbujas de vapor debido a la alta temperatura del combustible dando como resultado un exceso en el consumo. 18

Alta viscosidad: Pobre atomizacin del combustible el cual crear formaciones severas de holln debido a la pobre combustin, sobrecarga mecnica en todo el sistema de inyeccin (rodillos, seguidores de eje de levas, bombas de inyeccin e inyectores) y componentes de la cmara de combustin (pistones y vlvulas de admisin y escape).

2.1.4

TURBOCARGADOR La funcin del turbocargador es utilizar la energa de los gases de escape del motor de combustin interna (los cuales de otra manera se desperdiciaran) para conducir una rueda de turbina y por ende una rueda de compresor. El compresor incrementa la presin y densidad del aire en la cmara de combustin por lo tanto incrementa la potencia disponible del motor en comparacin con un motor de aspiracin natural. El turbocargador ha demostrado ser el ms exitoso mtodo de reduccin de costos, peso y requerimiento de espacios en las Centrales Diesel y es reconocido como un mtodo confiable de desempeo, eficiencia y consumo de combustible. El turbo cargador consiste en una turbina de flujo axial de una etapa y un compresor centrfugo de aire conectados por eje rotativo soportado por cojinetes. El gas de escape descargado de los cilindros del motor entran en la carcasa de entrada de la turbina y se aceleran a travs del anillo de toberas hacia los alabes de la turbina donde el gas de escape hace rotar al eje, los gases entonces pasan de la carcasa de salida de la turbina hacia la tubera de escape. El aire requerido por el motor es conducido a travs del filtro de aire hacia la carcasa de entrada del compresor en donde es comprimido por un impulsor y un difusor, posteriormente el aire comprimido va hacia la carcasa de salida del compresor, el aire posteriormente es enfriado y forzado hacia la cmara de combustin del motor. 19

El eje rota en cojinetes localizados entre el impulsor y la turbina, estos cojinetes radiales pueden ser lubricados por un sistema de lubricacin propio del turbocargador o por el aceite del motor a travs de galeras internas.

Fuente: Napier turbocharger

Figura 7 Turbocargador

Algunos tipos de turbocargadores son enfriados en las carcasas de entrada y salida de gases de escape por medio de camisas de agua.

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Figura 8 Vista de turbina de turbocargador

El turbocargador es uno de los ms sensibles componentes del motor, La eficiencia del turbocargador depende de su grado de contaminacin, la cual se determina si los cilindros individuales son alimentados con suficiente aire de carga. Las consecuencias en el motor debido a un pobre desempeo del turbocargador pueden ser: Cada en la potencia producida por el motor Incremento del consumo de combustible Altas temperaturas en los componentes de las cmaras de combustin, las cuales reducen significativamente en tiempo de vida de estos componentes como pistones y vlvulas de admisin y escape.

2.2

PROGRAMA DE MANTENIMIENTO DE VALVULAS DE ADMISION Y ESCAPE El mantenimiento de motores diesel de plantas estacionarias tiene que ser realizado por personal profesional, con toda la experiencia y conocimientos necesarios para realizar los servicios y mantenimientos apropiados de este tipo de maquinaria, los costos de mantenimientos mal realizados son muy altos en este tipo de negocio sin tomar en cuenta el tiempo de indisponibilidad o el costo por falta de produccin de energa elctrica. 21

Las vlvulas de admisin y escape se encuentran instaladas en la culata, juntamente con los rotadores de vlvulas de admisin y escape, puentes de vlvulas, inyector de combustible, vlvula de seguridad, vlvula indicadora y vlvula de arranque (la entrada del aire de arranque en los motores en configuracin en V, nicamente se instalan en la bancada B). La culata y los asientos de las vlvulas de escape son enfriados por el sistema de alta temperatura del motor (AT), el agua de enfriamiento proviene del block del motor, por medio de agujeros en la parte superior de la camisa de pistn y conectados hacia laberintos en la carcasa de la culata, el agua del sistema de alta temperatura de enfriamiento es descargada por medio de canales en la parte superior de la fundicin de la culata hacia el manifold de descarga de agua del motor por medio de una conexin flexible. El balancn es montado en la parte superior de la culata y se sujeta con pernos ya sea por modo manual o hidrulico, las conexiones del sistema de lubricacin pueden ser por medio de pequeas tuberas o conexin directa entre culata y la parte inferior del balancn, el aceite lubrica y enfra los puentes de vlvulas, vlvulas y balancn. La parte superior de la culata es cubierta por una tapadera con un pequeo orificio para inspeccin de vlvulas rotadoras cuando el motor se encuentra funcionando.

Fuente: MaK CM43 O&M instructions

Figura 9 Vista posterior de culata, motor MaK CM43 22

Los vstagos de las vlvulas de admisin y escape son guiados en las guas de vlvulas, las cuales son lubricadas y selladas por medio de anillos de goma en la parte superior del vstago. Las guas de vlvulas y los asientos de vlvulas al momento de instalarse son congelados con nitrgeno liquido a 195 C, reduciendo as su tamao en pequeas milsimas de milmetro, lo cual hace la instalacin fcil, regresando a su tamao normal conforme la temperatura se incrementa al dejarlos a la temperatura ambiente, quedando as, sujetos a la carcasa de la culata. Las rotadoras de vlvulas de admisin y escape hacen rotar la vlvula asegurando una operacin suave y de menor desgaste. Las vlvulas de admisin y escape son construidas de diferentes materiales debido a las cargas trmicas que soportan, por lo que el cuidado de no mezclarlas es muy importante, en algunos casos son parecidas pero no iguales. El mantenimiento a vlvulas de admisin y escape posterior a su desmontaje de la culata es el siguiente (pueden haber algunas pequeas variaciones entre diferentes fabricantes: MaK/Caterpillar, Wrtsil y MAN B&W, pero en general los puntos enumerados a continuacin son de uso general: A Limpieza de vlvulas: Debido a que las vlvulas provienen de culatas en uso el primer paso es sumergir las vlvulas sucias en un recipiente con qumico descarbonizante como el Demal durante un periodo de 48 horas, posteriormente es necesario remover los residuos de carbn mas duros incrustados, la experiencia nos ha demostrado que la minuciosa limpieza y evaluacin que las vlvulas de admisin y escape requieren es nicamente posible por medio de una rfaga a presin (blasting) con material de vidrio (glass beads, figura 11), las vlvulas no deben de ser limpiadas con herramientas con filo o con cidos inorgnicos como acido sulfrico o rfaga a presin de arena cernida (sandblast). 23

Fuente: MaK CM43 O&M instructions

Figura 10 Corte de culata de motor MaK CM25

Figura 11 Mquina de rfaga de vidrio para limpieza de vlvulas 24

B Inspeccin Visual: Al momento de realizar la inspeccin visual el rea debe de estar bien iluminada y ventilada, poner mucha atencin a los siguientes puntos: La superficie del cono de la vlvula no debe tener ninguna indicacin de desgaste ocasionado por quemaduras o soplado proveniente de la cmara de combustin (blow-by), figura 12. El cono y vstago de la vlvula no debe tener ningn tipo de golpe o fisura visible, figura 13. El cono de la vlvula debe estar libre de corrosin, figura 14.

Figura 12 Indicacin de blow-by en cono de vlvula de escape

Figura 13 Indicacin de golpes en vstago de vlvula de admisin

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Corrosin en superficie de cono de vlvula de admisin

Si se encontraran granos speros en la cara del cono de la vlvula que esta en contacto con los gases de escape en la cmara de combustin, la vlvula tiene que ser desechada, este efecto es llamado formacin de empedrado, figura 15.

Si se encuentran agujeros de corrosin o daos mecnicos en la proximidad del vstago de la vlvula, raz de la vlvula o en la cabeza de la vlvula, figura 16.

Figura 15 Formacin de empedrado

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Figura 16 Agujeros de corrosin en vlvula de escape

C Mediciones:

Posterior a la inspeccin visual de las vlvulas se

realizan las siguientes mediciones: El cuerpo del vstago de la vlvula no debe mostrar ninguna deformacin, tanto en medidas de elongacin como la en simetra radial del dimetro en varios puntos, para ello colocar dos soportes a 20 mm. como indica figura 17, las medidas se toman con micrmetro y deben ajustarse a las instrucciones de cada fabricante acorde al modelo del motor. La desviacin radial del cono de la vlvula tampoco debe exceder las medidas proporcionadas por el fabricante, figura 17.

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Si se ha consumido el rea s dada por el fabricante (normalmente es alrededor de 2 mm.), de la cara expuesta de la vlvula a la cmara de combustin la vlvula debe ser reemplazada, figura 18.

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D Repaso de la superficie de sellado:

Debe ser completado por

maquinas herramientas de pulido por medio de husillo de alta precisin (figura 19), stas maquinas deben ser ajustadas al ngulo proporcionado por el fabricante, tener cuidado de no maquinar la ranura. Posterior al pulido se realiza la medicin x del ancho del rea recin pulida, si la distancia fuera menor a la requerida por el fabricante se tiene que desechar la vlvula, en las figura 20 y 21 como ejemplo, se muestra el ngulo y dimensiones a chequear para vlvulas de admisin y escape de un motor MaK/Caterpillar CM43.

Fuente: Chris Marine Maintenance Methods

Figura 19 Mquina de pulido de vlvulas de alta precisin Chris Marine

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E Asentamiento de vlvulas: Aplicarle a la superficie de sellado recin pulida pequeas gotas de pasta azul de Prusia con una jeringa (figura 23), posteriormente aplicar atomizado un poco de solvente en el asiento de la vlvula en la carcasa de la culata para adelgazar la pasta e incrementar el control de la inspeccin. 30

Deslice la vlvula dentro de la gua de vlvula, coloque la herramienta de asentamiento a la cabeza de la vlvula (figura 24) y gire suavemente en ambas direcciones alrededor de 360 con moderada presin, esto permitir inspeccionar el rea de sellado entre el cono de la vlvula y el asiento de la vlvula en la culata .

Fuente: MaK CM43 O&M instructions

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Despus de varias pasadas, la superficie de contacto puede se revisada a, debe ser entre el 30% al 50% del ancho del asiento b empezando del dimetro exterior, figura 25. Si la superficie de contacto no cumpliera la inspeccin el proceso tiene que ser repetido.

F Asiento de vlvulas: Aunque no es un mantenimiento propiamente de las vlvulas es importante tener en cuenta que al igual que la superficie de contacto del cono de las vlvulas, el asiento de vlvula tambin es limpiado, revisado y medido, si hubieran deficiencias similares a las descritas anteriormente sern reemplazados. Tambin se realiza un pulido dependiendo del ngulo asignado por el fabricante, ligeramente diferente al de la vlvula con maquinas herramientas de pulido de alta precisin, figura 27.

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Fuente: Chris Marine Maintenance Methods

Tomar en cuenta al momento de realizar el pulido en los asientos de vlvulas los siguientes puntos importantes: Exactitud del ngulo, perpendicularidad exacta, redondez y concentricidad, figura 28. incluye prcticamente todo el mantenimiento para este equipo. En el anexo 1

se puede observar una hoja de control de mantenimiento de culatas donde se

33

Fuente: Chris Marine Maintenance Methods

2.3

FALLA EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE Y SU INCIDENCIA EN EL MOTOR DE COMBUSTIN INTERNA Los procedimientos de mantenimiento a las vlvulas de admisin y escape descritos en la seccin anterior 2.2 son aplicados normalmente por el personal de mantenimiento de las centrales diesel. La experiencia nos indica que, aunque se realice un seguimiento estricto de las indicaciones dadas por los fabricantes de motores con respecto al mantenimiento de las vlvulas, se siguen encontrado fallas en los elementos por lo que se hace una revisin de estas fallas y su incidencia en los motores de combustin interna. La deteccin de las fallas en vlvulas principalmente se ha hecho de dos maneras, la primera por el sbito incremento de seales de temperatura (en el computador del motor) de gases de escape en un cilindro y de temperatura de entrada de gases de escape al turbocargador, en estos casos los motores cuentan con sistemas de proteccin por alta temperatura e inmediatamente se enva una seal de disparo a la mquina cuando un valor esta fuera de los parmetros previamente establecidos en el programa de control. 34

La segunda forma de determinar este tipo de fallas es cuando el personal a cargo del mantenimiento y operacin del motor escuchan ruidos anormales en el interior de la mquina en operacin, precisamente en el momento cuando la falla empieza, procediendo a realizar el disparo de la mquina manualmente desde la sala de mquinas. Posterior al disparo de la mquina se realiza una inspeccin visual interna del motor, en las cmaras de combustin, en la entrada de gases de escape al turbocargador, manifold de gases de escape y turbocargador, encontrndose los daos que a continuacin se describen. A Corona de pistn: Pueden catalogarse los daos en las coronas de pistn desde muy leves hasta coronas completamente perforadas y destrozadas, el dao depende de la rapidez con la cual sea detectada la falla, ya sea por los sistemas de proteccin del motor o por el personal de operaciones y mantenimiento en sala de mquinas; entre ms transcurra el tiempo, el dao ser mucho mayor. En casos donde el dao al tazn de la corona es muy leve, sta puede aun reutilizarse, realizando una inspeccin completa del pistn, que incluya la falda, el tazn y los elementos de sujecin entre falda y tazn. En casos presentados en la figura 29, todas las coronas de pistn fueron desechadas.

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B Camisa de Pistn:

El dao en las camisas de pistn ocurre

normalmente en pequeos impactos en la parte superior, cerca de la posicin del anillo antipulidor, cuando un dao es muy extenso se ha observado camisas de pistn fisuradas e inclusive quebradas, figura 30, las camisas de pistn al tener el mas mnimo dao ocasionado por golpes de fragmentos deben ser reemplazadas y no podrn ser reacondicionadas. 36

C - Culata: Los fragmentos que quedan libres ocasionan a la cara de la culata en contacto con la cmara de combustin daos severos, los daos incluyen a los asientos de vlvulas de admisin y escape, guas de vlvulas de admisin y escape, puentes de vlvulas, vlvulas rotadoras y en algunos casos a los balancines y varillas de empuje, todos estos elementos deben reemplazarse. Los daos en la carcasa pueden ser reparados por empresas especializadas en Europa, utilizando soldadura de fusin de gas en hornos especialmente acondicionados y luego rectificacin de medidas originales, figura 31. 37

D Turbocargador:

Los daos al turbocargador provienen de los

pedazos de metal que salen de la cmara de combustin en el tiempo de escape, los residuos viajan por el manifold de escape y llegan a la turbina del turbocargador golpeando al anillo deflector de gases de escape y daando los labes de la turbina, figura 32. Los labes de turbina pueden reemplazarse o repararse al enviarlos al fabricante del turbocargador si el dao no es muy severo, el anillo deflector de gases de escape normalmente no sufre daos mayores. 38

E- Vlvulas de admisin y escape: El problema principal que ocasionan las fallas de las vlvulas de admisin y escape es la prdida del material del cono de la vlvula el cual ocasiona prcticamente el 90% de los daos a otras partes del motor como se menciono previamente, en la figura 33 observamos cmo quedan las vlvulas (o sus residuos) despus de una falla de esta magnitud.

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40

2.4

ANLISIS E IDENTIFICACIN DE LA FALLA

Los mtodos usados para fijar la poltica de mantenimiento son insuficientes por s mismos para asegurar la mejora continua en mantenimiento. Ser la experiencia la que mostrar desviaciones respecto a los resultados previstos. Por tal motivo, es imperativo establecer una estrategia que, adems de corregir las citadas desviaciones, asegure que todos los involucrados en el proceso de mantenimiento se involucren en la de mejora del mismo. Desde este punto de vista, el anlisis de fallas se podra definir como: el conjunto de actividades de investigacin que, aplicadas sistemticamente, trata de identificar las causas raz de las averas y establecer un plan que permita su eliminacin. Se trata, por tanto, de no conformarse con devolver a los equipos a su estado de buen funcionamiento tras la falla, sino identificar la causa raz para evitar, si es posible, su repeticin. Si ello no es posible se tratar de disminuir la frecuencia de la citada avera o la deteccin precoz de la misma, de manera que las consecuencias sean tolerables o simplemente se controlada. disponibilidad y reducir los costos. Adems de las razones generales que justifican la bsqueda de la mejora continua en cualquier proceso, en el caso particular del proceso de mantenimiento son varias las razones especficas que se suelen presentar y que justifican sobradamente esta prctica como objetivo prioritario: Evitar la tendencia a convivir con problemas: Los pequeos problemas suelen tener el efecto de indiferencia; l que los sufre termina conviviendo con ellos y considerndolos como una situacin normal. 41 pueda mantener El fin principal es mejorar la confiabilidad, aumentar la

Para evitar caer en esta rutina se precisa establecer claramente que situacin se va a establecer como normal y cual como inadmisible. inadmisibles. De esta forma se desencadenaran en automtico El anlisis de fallas requiere, en este sentido, las acciones necesarias para analizar y eliminar las situaciones establecer los criterios de mximo riesgo admitido. Evitar la tendencia a simplificar los problemas: Con frecuencia superior a lo deseable, los problemas suelen ser mltiples e interrelacionados. En tales circunstancias, se impone un anlisis para poder separar los distintos elementos del problema, para asignar prioridades y, en definitiva, establecer un plan de accin para evitarlos. Con demasiada frecuencia la escasez de recursos o la simple falta de mtodo, lleva a simplificar el anlisis e induce a tomar medidas de nula o escasa efectividad. Este es el caso que se presenta cuando se detiene el anlisis de la causa fsica (por ejemplo fallos de cojinetes por desalineacin), y no se profundiza hasta llegar a la causa latente (que podra ser falta de entrenamiento o supervisin) lo que permitira eliminar no solamente este caso sino otros relacionados con la misma causa. fallas permite, en este sentido, oportunidades de mejora de todo tipo. Evitar la tendencia a centrarse en el problema del da: La El anlisis de excelentes aprovechar

presin del da a da hace olvidar rpidamente el pasado, lo que impide hacer un seguimiento de la efectividad de las medidas aplicadas. problema. prevencin. 42 Hasta que el problema vuelve a aparecer, El anlisis de fallas, en este sentido, ayuda a convirtindose en un crculo vicioso, que lleva a convivir con el implantar un estilo o cultura de mantenimiento basado en la

Antes de proceder al anlisis de fallas hay que delimitar el alcance del mismo. Esto se consigue definiendo los lmites del sistema. El sistema es un conjunto de elementos discretos, denominados generalmente componentes, interconectados o en interaccin, cuya misin es realizar una o varias funciones, en unas condiciones predeterminadas. El anlisis de fallas debe contemplar una fase en que se defina el sistema, sus funciones y las condiciones de funcionamiento. En el caso que estudiamos, el sistema es el motor de combustin interna, su funcin es la generacin de energa elctrica y las condiciones de funcionamiento son en base a parmetros de operacin y mantenimiento dadas por el fabricante, dependiendo de cada instalacin. El fallo de un sistema se define como la prdida de aptitud para cumplir una determinada funcin, en este sentido se puede clasificar el fallo de este estudio como: un fallo evidente de magnitud parcial, por degradacin, de tasa de fallo constante, de efecto crtico y de causa primaria (causa en el propio sistema). La avera es el estado del sistema tras la aparicin del fallo. La metodologa para anlisis de solucin de problemas, en general, suele ser adoptada y adaptada por cada empresa en funcin de sus peculiaridades. Haciendo un anlisis comparativo de los ms habituales, se puede decir que hay dos aspectos fundamentales en los que coinciden: * El recorrido del proceso: * La metodologa a utilizar: garantizar su eficacia son: a) Estar bien estructurada, de forma que se desarrolle un orden lgico. 43 El anlisis debe centrarse primero en el Las condiciones que debe de reunir para

problema, segundo en la causa y tercero en la solucin.

b) Ser rgida, de manera que no de opcin a pasar ninguna etapa fundamental. c) Ser completa, es decir, que cada etapa sea imprescindible por si misma y como punto de partida para la siguiente. Es evidente la necesidad de fijar unos criterios, que dependern de cada caso particular, para decidir cundo llevar a cabo el anlisis de averas. Para la mayora de los casos sera suficiente asignar a un especialista la organizacin y confeccin de los anlisis (ingeniero de fiabilidad). Sin embargo cuando los problemas sobrepasan los lmites tcnicos y organizativos de un especialista, pueden ser mejor analizados por un grupo multidisciplinario: mantenimiento, operaciones, procesos, seguridad industrial, bodega etc. Esto tiene como beneficio aadido lo siguiente: Mejora la comunicacin entre departamentos. Mejora el conocimiento del funcionamiento de los departamentos. Mejora la transparencia. Mejora el conocimiento de los procedimientos.

Las causas de las fallas pueden determinarse por: Causas relacionadas con el diseo. Causas relacionadas con los materiales. Causas relacionadas con el proceso y manufactura. Causas relacionadas con el montaje e instalacin. Causas relacionadas con las condiciones de servicio inapropiadas. Causas relacionadas con el mantenimiento. Causas relacionadas con la operacin. 44

De entre las diversas herramientas existentes para el anlisis de averas como por ejemplo el diagrama de Ishikawa, etc. se ha seleccionado para el anlisis de falla de las vlvulas de escape y admisin al FMEA de las siglas en ingles de Failure Mode and Effects Analysis que traducido en al espaol es Anlisis de Modos y Efectos de Falla (AMEF). El FMEA fue desarrollado en base a las necesidades especficas de confiabilidad en la industria aeronutica, puesto que si una aeronave falla las consecuencias son catastrficas. Se enfoca en la necesidad de conocer los tipos de problemas que pueden presentarse, qu tan probable es que ocurran y que consecuencias tendrn. En la industria militar surgi como un proyecto hace 60 aos, especficamente era utilizado para evaluar la confiabilidad y para buscar la causa de las fallas en sus equipos. Hoy en da entre algunos procesos normados debe incluirse esta herramienta. Un ejemplo claro es la industria automotriz Estadounidense que utiliza el FMEA para evaluar sus procesos y diseos. El FMEA es una de varias herramientas que en la industria la ingeniera utiliza para el anlisis de los efectos que son productos de fallas, y la evaluacin profunda de los modos de falla. Como resultado se obtiene una lista de acciones preventivas, correctivas y proactivas. Su enfoque principal consiste en conocer la historia de uno o varios equipos, las fallas potenciales, cundo y por que ocurren y conocer el riesgo. El objeto radica en concluir en decisiones acertadas que sean la plataforma para determinar niveles de mantenimiento basados en la consecuencia de dichas fallas. Debe enfocarse en los equipos crticos. Para determinar cundo es rentable y necesario utilizar el FMEA, se utiliza un Perfil de riesgo, el cual es la primera herramienta de tres que utiliza el FMEA. 45

Se debe reunir toda la informacin posible, y hacer una sinopsis clara para que el ingeniero de confiabilidad o el grupo participante puedan partir de una misma plataforma de decisin. Aplicar la herramienta representa un esfuerzo considerable, puesto que es necesario dedicarle tiempo y en muchos casos invertir recursos. Por esa razn debe darse prioridad a las fallas con base a la criticidad de equipos, lo mejor es disear un perfil de riesgo que est de acuerdo a las caractersticas del proceso. Aplicarlo a cada una de las fallas que ocurren en una planta no es Una buena prctico ni efectivo desde un punto de vista costo-beneficio.

prctica consiste en priorizar partiendo de un anlisis de pareto de disponibilidad y eficiencia. Esta herramienta nos orienta en la historia hacia los equipos que han causado mayores prdidas. Los pasos que seguiremos en la realizacin del FMEA para la

investigacin de la falla de vlvulas de admisin y escape son: Seleccionar equipo critico con falla a analizar Verificar consecuencia en el perfil de riesgo Recopilar informacin de falla Definir falla real que ocurri Identificar causas raz de la falla Definir consecuencias de la falla Verificar consecuencias en el perfil de riesgo Definir acciones de prevencin para la falla Hoja de seguimiento Documentacin final

Una vez realizado el anlisis, es necesario tomar decisiones sobre los pasos a seguir para llevar cada modalidad de falla a niveles aceptables de efecto. En algunos casos esto significar hacer lo que sea necesario para que dicha modalidad ocurra, en otros habrn de determinarse acciones que slo lleven los 46

efectos negativos a niveles predeterminados considerados como aceptables con base a su gravedad o frecuencia. En cualquiera de los casos, lo importante es asegurar que se implementen las acciones acordadas, porque de lo contrario los beneficios que esta herramienta nos brinda no podrn obtenerse. A Seleccin de equipo critico con falla a analizar: combustin interna por ende es el equipo que estar bajo anlisis. B Perfil de Riesgo: La tabla III es el formato utilizado para verificar las consecuencias en el perfil de riesgo, esta matriz consta en el eje vertical de las probabilidades de falla desde Muy frecuente hasta Imposible, cada una con su respectiva frecuencia de falla, en el eje horizontal los tipos de falla desde Despreciable hasta Catastrfico, por ltimo una pequea matriz de consecuencias donde nos ubicamos en la celda de consecuencia de daos a equipo con sus respectivos tiempos de paro, el cual se ajusta a la falla en estudio. En esta pequea matriz de consecuencias pueden aadirse otros parmetros de tiempos de paro dependiendo del rea en que se requiera hacer un estudio (Seguridad, Medio Ambiente, Operacional, etc.) siempre y cuando coincida con los parmetros de aceptabilidad o no aceptabilidad de la matriz de perfil de riesgo (si este fuera el caso se tiene que realizar otra matriz de riesgo por separado). El tipo de falla en estudio se ubica en la matriz de perfil de riesgo, en la celda D II, debido a que la probabilidad de falla es Remota (1vez entre 6 meses y 1 ao) y la gravedad se cataloga como Critica, debido a que fallas de este tipo ocasiona que el motor se encuentre con una indisponibilidad forzada de 72 horas, tiempo que dura la reparacin. Los valores de tiempo en las celdas de probabilidad, la delimitacion de reas de aceptacin o no aceptacin en la matriz de Perfil de Riesgo y valores de tiempo de falla en la matriz de consecuencia se establecen a criterio del Ingeniero de fiabilidad que realiza el estudio o por normativas propias de la empresa, Tabla III es un ejemplo utilizado en una central diesel. 47 El motor de

Tabla III Matriz de Perfil de Riesgo

48

C Recopilar informacin de falla:

Es importante que, tanto si el

anlisis se hace en grupo o por un especialista, se empiece lo antes posible, una vez haya tenido lugar la falla. De esta forma se evita que se pierdan datos muy importantes para el anlisis como detalles de la falla (fotografas), como en las figuras 29 a la 33, evidencias fsicas (muestras para anlisis) y aportaciones de los operadores que estaban presentes; como dato importante se observa que los casos en donde la falla ha ocurrido es en vlvulas de admisin y escape con 7,500 a 10,000 horas de operacin; en los dems elementos como pistones, camisas de pistn, anillos antipulidores, etc., la falla se ha manifestado con diferentes horas de operacin sin ningn punto en comn. Los fabricantes de motores normalmente dan un estimado de vida de las vlvulas de admisin y escape nuevas de alrededor de 15,000 horas de operacin, aunque pueden variar dependiendo de las condiciones de combustible y de la mantenibilidad del motor. D Definir falla real que ocurri: Al realizar el anlisis de falla nos

guiamos acorde a los pasos sugeridos por Neville Sach en su libro Practical Plant Failure Analysis, traducido al castellano Anlisis Prctico de Fallas en Plantas. Realizar un anlisis preliminar de las piezas falladas: Acorde a la informacin recopilada en las figuras 29 a la 33 a primera vista las piezas con mayor dao son las vlvulas de admisin y escape y corona de pistn, en menor grado la camisa del pistn, turbocargador y la carcasa de la culata. Recoleccin de datos en el entorno a la pieza o equipo que fall: En el inciso C mencionamos los datos importantes a recolectar, fotografas y muestras de piezas daadas, figura 34; la informacin obtenida en la computadora del motor indica que el motor se encuentra en operacin normal, la falla ocurre con un repentino aumento de temperatura de gases de escape en el cilindro daado y aumento de la temperatura de gases de escape a la entrada del turbocargador. 49

Figura 34 Recoleccin de muestras de piezas daadas Preguntar al respecto de la falla con el personal involucrado con la operacin del equipo: los operadores de sala de control corroboran la informacin del computador ya que al momento de la falla se observa un incremento repentino de temperatura de gases de escape en el cilindro fallado e incremento de temperatura a la entrada del turbocargador, en algunos casos el programa de computacin de alarmas del motor ha disparado la mquina por desviaciones en las tendencias de las lecturas previamente mencionadas, es importante aclarar que el tiempo transcurrido desde la falla hasta el disparo de la mquina (ya sea por el programa de computacin del motor o disparo manual por operadores en sala de control) ocurre en un lapso de pocos segundos, el personal en sala de mquinas informa de ruido anormal en el motor durante operacin al momento de iniciar la falla, en algunos casos tambin el personal en sala de mquinas ha disparado manualmente el motor al momento de escuchar un ruido extrao . 50

Volver a revisar las piezas en busca de fracturas y/o fisuras en las superficies: Dependiendo de las fallas estudiadas, se ha encontrado vlvulas partidas de la cabeza de la vlvula o con pedazos faltantes, all tenemos un buen indicio que el problema se origin en las vlvulas ya que normalmente las vlvulas son estructuras de metal que no deberan de desprenderse en pedazos, figura 35.

Figura 35 Vlvulas quebradas o con pedazos faltantes

Desarrollar un rbol lgico que determine las posibles causas de la falla: Es una representacin grfica de los mltiples fallos o eventos y su secuencia lgica desde el evento inicial hasta el evento objeto del anlisis pasando por los distintos eventos contribuyentes. 51

Tiene el valor de centrar la atencin en los hechos relevantes, adicionalmente conduce la investigacin hacia causas latentes; esta presentacin grafica permite, igual que el diagrama de Ishikawa, resumir y presentar la causas, conclusiones y recomendaciones. Es por tanto una herramienta de anlisis, muy recomendable para determinar las causas de un fallo. figura 36. Se utilizan smbolos para expresar las relaciones lgicas entre los distintos sucesos,

Fuente: Manual del Ingeniero de Planta

Los pasos a seguir para la construccin del rbol de falla son: 1- Determinar el suceso final (dao de elementos de cmara de combustin) que ocupara la cspide del rbol, 2- Desarrollo del rbol mediante puertas lgicas y sucesos, para cada suceso hay que responder Por qu ocurre?, la evaluacin cualitativa en la que se transforma el rbol en una funcin lgica aplicando algebra de Boole, la expresin resultante representa las combinaciones mnimas de sucesos primarios, cuya ocurrencia simultanea conduce al suceso no deseado, 3- El suceso no deseado viene representado por la unin lgica de todos los conjuntos mnimos de fallo, figura 37. 52

Figura 37 rbol de falla 53

Determinar mecanismos fsicos de falla:

Posterior a la

realizacin del rbol de falla, la secuencia de falla es ms fcil de visualizar, la determinacin del mecanismo de falla se basa principalmente en determinar cual o cules de ellos (sobrecarga, fatiga, corrosin y desgaste) estn involucrados en la falla de estudio. Fatiga: Las vlvulas de escape y admisin al estar el motor en operacin se encuentran en movimiento reciprocante en la cmara de combustin, realizando este movimiento aproximadamente unas 4 a 5 veces por segundo, si fuera un motor que gira a 500 rpm, en 7500 horas de operacin se tiene un aproximado de 120 millones de ciclos, las fallas por fatiga de alto ciclo ocurren en componentes que tienen mas de 10,000 ciclos de tensin, para que una falla de fatiga ocurra, la pieza tiene que estar de un periodo de tensin a un periodo de relajacin, y este ciclo tiene que repetirse muchas veces. Especialmente bajo cargas variables y si hay presencia de corrosin, no es inusual encontrar fracturas que toman de 40 a 50 millones de ciclos para propagarse, esta situacin es el resultado de una larga incubacin antes que las fisuras aparezcan y den como resultado fracturas. Corrosin: Podemos encontrar corrosin por alta temperatura en las vlvulas siguiendo la ecuacin del Premio Nbel Svante Arrhenius, la cual indica que a mayor temperatura el coeficiente de corrosin aumenta de forma exponencial, recordemos que en la cmara de combustin la alta temperatura esta presente durante el tiempo de trabajo o explosin; otra forma de corrosin es provocada en la cabeza de la vlvula por el contacto de gases de escape que actan como agente corrosivo, debido a los productos que contiene del proceso de combustin (agua, vanadio, azufre, etc.), la siguiente forma de corrosin se 54

manifiesta en las vlvulas como corrosin acelerada de flujo o erosin-corrosin, es el resultado de la combinacin de condiciones de turbulencia y alta velocidad que sucede en la cmara de combustin al ingresar el aire de admisin y en la evacuacin de los gases de escape; la ltima forma de corrosin (y la mas daina) aparece en las vlvulas como corrosin de agujeros, figuras 15 y 16, los agujeros frecuentemente aparecen localizados, pequeos, grandes y profundos, la corrosin de agujeros frecuentemente acta como un factor de concentracin de esfuerzos y son el punto de inicio de fallas por fisuras de fatiga, stas fisuras son muy difciles de detectar ya que empiezan en reas de la superficie del material o en depsitos cubiertos por productos de corrosin y del proceso de combustin. La conclusin obtenida es que debido a los diferentes y fuertes tipos de corrosin que se encuentran expuestas las vlvulas de admisin y escape, ocasiona que se generen concentracin de esfuerzos los cuales generan microfisuras en reas de la superficie del material que no son detectables a simple vista y que tienden a fracturarse en un aproximado de 120 millones de ciclos. Prcticamente la falla en las vlvulas de admisin y escape es ocasionada por la combinacin de dos mecanismos fsicos de falla, la fatiga de alto ciclo y corrosin. Determinar secuencia de la falla: Con la informacin recopilada del dao sufrido por un motor en la cmara de combustin, seccin 2.3, podemos darnos una idea general del evento apoyndonos en la figura 38, que es la vista de corte de un motor en V con la cmara de combustin expuesta. Las vlvulas de admisin y escape fallan en un periodo entre las 7,500 a 15,000 horas de operacin, fracturndose como consecuencia de la combinacin de corrosin y fatiga, la fractura ocasiona que partculas metlicas desprendidas de las vlvulas caigan en la cmara de combustin donde chocan con 55

el tazn de la corona del pistn, llevndolas hasta el punto muerto superior del cilindro , dependiendo del tamao de las partculas empezaran a daar la cara inferior de la culata que da hacia la cmara de combustin en donde se encuentran las vlvulas de admisin y escape y la punta de la tobera del inyector, continuarn daando el tazn de la corona del pistn, esto ocasiona que un nmero mayor de partes de metal continen desprendindose de las vlvulas y el ciclo reciprocante del pistn continua con el dao a ms elementos de la cmara como la camisa del pistn, el anillo antipulidor y en algunas ocasiones el anillo de fuego del pistn. Al mismo tiempo otras partculas ingresan en la carcasa interna de la culata cuando el motor alcanza el tiempo de escape daando las guas de vlvulas y los asientos de las vlvulas; las partculas que escapan de la cmara de combustin se dirigen hacia el manifold de escape y de ste entran al anillo deflector de gases de escape golpendolo, y por ultimo chocando a gran velocidad en los alabes de la turbina del turbocargador. El aceite que se encuentra en la cmara de combustin queda totalmente contaminado con partculas metlicas muy pequeas por lo que es necesario desechar el aceite del motor y realizar una limpieza general de todas las galeras internas de la mquina y revisin de los elementos principales como pistones, tejas de biela, tejas de bancada central, bomba de aceite etc. Los elementos auxiliares del motor como la centrifuga de aceite, el filtro automtico de aceite, filtro duplex de aceite y el enfriador de aceite debe ser inspeccionado y limpiados ya que tendrn partculas de metal, normalmente estos filtros tienen capacidad de atrapar partculas muy pequeas hasta de 34 micrones. Es recomendable hacer inspecciones en la tubera que llega hacia los sensores elctricos de presin de aceite, tambin inspeccionar el manifold de aire de carga proveniente del postenfriador del aire de carga. 56

Si las galeras internas de enfriamiento por agua de la culata o asientos de vlvulas de escape quedaran daadas es recomendable hacer un lavado del sistema de agua de enfriamiento del motor y cambiar el agua del circuito de alta temperatura. E Identificar causa raz de la falla: Proviene del rbol de fallas, la cual es aadida a la hoja de trabajo del FMEA, tabla IV, la causa raz es la relacin causa-efecto (es una relacin con base en el axioma para toda accin hay una reaccin), el efecto es la reaccin y la causa es la accin, usualmente lo que siempre observamos son los efectos. F Definir consecuencias de la falla: Son las consecuencias derivadas de cada causa raz, en la hoja de trabajo del FMEA se apuntan a continuacin de la columna de causas, tabla V. G Verificar consecuencias en el perfil de riesgo: El tipo de falla en estudio se ubica en la matriz de perfil de riesgo, en la celda D II, debido a que la probabilidad de falla es Remota (1vez entre 6 meses y 1 ao) y la gravedad se cataloga como Crtica, debido a que fallas de este tipo ocasiona que el motor se encuentre con una indisponibilidad forzada de 72 horas, tiempo que dura la reparacin. H Definir acciones de prevencin de falla: La tabla VI, en la hoja de decisin de FMEA, se completa la primera columna con el cdigo de la falla (funcin + falla funcional + modo de falla + causa raz). La segunda columna se escribe el riesgo acorde a la matriz de perfil de riesgo. La tercera columna se explica la tarea o propuesta de solucin del problema (la solucin al presente problema es La realizacin de ultrasonido a vlvulas de admisin y escape, posterior a la limpieza, inspeccin visual y toma de medidas en cara expuesta a la cmara de combustin para deteccin de grietas ocasionadas por corrosin y fatiga de alto ciclo despus de 7500 horas de uso. En la cuarta columna se La quinta indica la frecuencia con la que se realizara la tarea propuesta.

columna con la o las personas a cargo de realizar la tarea (en este caso puede observarse que la tarea se contratara por medio de una empresa externa a la empresa que brinde el servicio de ultrasonido). 57

Tabla IV

Hoja de trabajo FMEA

Identificacin de causas races de la falla

58

Tabla V

Hoja de trabajo FMEA Definicin de consecuencias de la falla

59

I Hoja de seguimiento:

Por ultimo tenemos la hoja de seguimiento

del FMEA en donde se apuntan las fechas de verificacin del cumplimiento de tareas, Tabla VII, en los Anexos 2 y 3 se puede apreciar reporte de inspeccin por ultrasonido a vlvulas de escape y admisin, encontrndose un total de 7 vlvulas con grietas.

Fuente: MaK CM32 O&M instructions

Figura 38 Vista de corte motor MaK / Caterpillar CM32 60

Tabla VI

Hoja de decisin FMEA

Verificacin de consecuencia en perfil de riesgo

61

Tabla VII

Hoja de seguimiento FMEA

Verificacin de cumplimiento de tareas

62

2.5

INCREMENTO EN COSTOS DE OPERACIN Y MANTENIMIENTO POR FALLA EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE La falla de vlvulas de admisin y escape tiene consecuencias muy fuertes, no slo los daos al motor de combustin interna sino la consecuencia de gastos en repuestos, aceite lubricante, energa elctrica no vendida, moral del personal de Operacin y Mantenimiento y su repercusin en los costos variables de produccin de energa elctrica en la Central Diesel. La seccin 1.4 costos de Operacin y Mantenimiento, contiene el detalle de los costos involucrados en la produccin. En la presente seccin se explica la incidencia de la falla en los costos uno por uno. En la Tabla I, se encuentran los valores iniciales para clculo de costo de Operacin y Mantenimiento de una Central Diesel de pequeo tamao de 7Mw. El valor del precio de combustible fuel oil pesado y el precio del aceite lubricante no sufren ninguna alteracin por la falla. Los repuestos para periodo de 5 aos se ve afectado, por la reparacin de la culata y turbocargador; instalacin de los siguientes repuestos nuevos: vlvulas de admisin y escape, guas de vlvulas, puente de vlvulas, asientos de vlvulas de admisin y escape, anillo antipulidor, camisa de pistn, pistn, inyector etc. El valor de reparacin y repuestos nuevos El valor asciende a un total aproximado de US$ 200,000. nuevo valor es de US$ 1, 000,000. El costo de Operacin y Mantenimiento y el consumo especfico de combustible, tampoco se ven afectados. El consumo de aceite lubricante se incrementa de 2.30 Kg./h a 6.40 Kg./h debido a la necesidad de hacer cambio completo del 63

inicial estimado de repuestos era de US$ 800,000 por lo que el

lubricante en el motor debido a la contaminacin sufrida por partculas pequeas de metal. Las horas de funcionamiento de planta anual se reducen de 7,000 a 6,900 debido al tiempo estimado de reparacin. Factor de carga no tiene alteracin La produccin de Kwh./ao se reduce de 49 millones a 48,300,000 por el tiempo de indisponibilidad forzada ocasionado por la falla. Con los nuevos valores, la tabla VIII, Valores para clculo de costo de Operacin y Mantenimiento posterior a la falla de vlvulas de admisin y escape queda de la siguiente forma: Tabla VIII Valores para clculo de costo Operacin y Mantenimiento posterior a falla

* Precio de combustible fuel oil pesado, con poder calorfico de 42700 KJ/Kg. y acorde a la norma CIMAC K35 de requerimientos para combustibles residuales para motores diesel. * Precio de aceite lubricante. * Repuestos para perodo de 5 aos. * Costo de Operacin y Mantenimiento para perodo de 5 aos. * Consumo especfico de combustible (cec). * Consumo de aceite lubricante. * Horas de funcionamiento de planta, anual. * Factor de carga. * Produccin Kwh. al ao. 400,000 US$ 210 g/Kwh. 6.40 Kg. /h 6900 100 % 48, 300,000 300 US$/ton 2200 US$/ton 1, 000,000 US$

64

El cambio en los resultados de costo de Operacin y Mantenimiento posterior a la falla se enumera a continuacin: Costo de lubricante se incrementa un 268% de 0.00075 US$/Kwh. a 0.00201 US$/Kwh. Debido al incremento en el consumo de aceite y la disminucin de las horas de funcionamiento de planta anual y produccin de Kwh. al ao. Costo de repuestos se incrementa un 27% de 0.00326 US$/Kwh. a 0.00414 US$/Kwh. Debido al aumento en los repuestos y la disminucin de produccin de Kwh. al ao. Costo de mantenimiento se incrementa un 1.2% de 0.00163 US$/Kwh. a 0.00165 US$/Kwh. produccin de Kwh. al ao. Costo total de Mantenimiento aumenta un 38% de 0.00562 US$/Kwh. a 0.00781 US$/Kwh. costos anteriores. Costo de combustible no tiene variacin. Costo total de Operaciones y Mantenimiento aumenta un 13.7% de 0.0686 US$/Kwh. a 0.0780 US$/Kwh. Debido al aumento del costo total de Mantenimiento. Costo de inversin aumenta un 1.4% de 0.02122 US$/Kwh. a 0.02153 US$/Kwh. Debido a la disminucin de produccin de Kwh. al ao. Costo total de Operaciones y Mantenimiento incluyendo amortizacin de la planta aumenta un 2.7% de 0.08985 US$/Kwh. a 0.09234 US$/Kwh. Evidentemente podemos observar como afecta duramente los costos de Operacin y Mantenimiento la falla de vlvulas de admisin y escape, estos clculos son realizados si la falla pasara una vez, he observado que este tipo de falla ocurre ms de una vez a lo largo de un ao. 65 Debido a la sumatoria de los Debido a la disminucin de

La diferencia del Costo total de Operaciones y Mantenimiento es de US$ 0.0025, si observamos en la tabla IX supera al costo de lubricante y al costo de mantenimiento, lo que es una cantidad considerable de dinero que la empresa dejara de recibir, ms los gastos ya mencionados de repuestos, lubricante etc. Tabla I X Resultados de costo de Operacin y Mantenimiento posterior a falla

* Costos de Lubricante. = (consumo de lubricante * precio del lubricante * horas de operacin anual) / 0.00201 US$/Kwh. 0.00414 US$/Kwh. 0.00165 US$/Kwh. 0.00781 US$/Kwh. Kwh. producidos al ao * Costo de Repuestos = (Repuestos para periodo de 1 ao) / Kwh. producidos al ao. * Costo de Mantenimiento = (Costo O&M para periodo de 1 ao) / Kwh. producidos al ao. * Total costo de Mantenimiento. * Costo Combustible = ((Consumo especifico de combustible, cec) * (Kwh. producidos al ao)/1, 000,000)) * (Precio de combustible) / Kwh. producidos al ao * Costo total de Operaciones y Mantenimiento = (Costo total mantenimiento + Costo de combustible). Suponiendo un precio de US$ 5, 200,000 para una planta de estas caractersticas y su depreciacin en 5 aos. * Costo de inversin = (Precio de planta / No. de aos a amortizar) / Kwh. producidos al ao. * Costo total de Operaciones y Mantenimiento incluyendo amortizacin de la planta. 66 0.09234 US$/Kwh. 0.02153 US$/Kwh. 0.0780 US$/Kwh. 0.0630 US$/Kwh.

3.

MANTENIMIENTO PREDICTIVO Y ENSAYOS NO

DESTRUCTIVOS EN VALVULAS DE ADMISIN Y ESCAPE

3.1

MANTENIMIENTO PREDICTIVO Y ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS El desarrollo de nuevas tecnologas, ha marcado sensiblemente la actualidad industrial mundial. En los ltimos aos la industria de generacin por motores de combustin interna se ha visto bajo la influencia determinante de la electrnica y la automatizacin, exigiendo mayor preparacin en el personal, no slo desde el punto de vista de la operacin de los motores, sino desde el punto de vista del mantenimiento industrial. En nuestra realidad industrial, matizada por la enorme necesidad de explotar eficaz y eficientemente los motores instalados y elevar a niveles superiores la actividad del mantenimiento, no remediamos nada con grandes soluciones que presuponen diseos, innovaciones, y tecnologas de recuperacin, si no mantenemos una alta disponibilidad en la central diesel. Es decir, la planta de generacin tiene que distinguirse por una correcta explotacin y un mantenimiento eficaz. En otras palabras, la operacin correcta y el mantenimiento oportuno constituyen caminos decisivos para cuidar el equipo que se tiene bajo responsabilidad. El Mantenimiento Predictivo es utilizado en la Central Diesel como una tcnica para pronosticar el punto futuro de falla de un componente de un motor o mquina de los sistemas auxiliares, de tal forma que dicho componente pueda reemplazarse, con base en un plan, justo antes de que falle. As, el tiempo muerto del equipo se minimiza y el tiempo de vida del componente se maximiza. 67

Los objetivos del Mantenimiento Predictivo en la Central son: Eliminar incorrecta Operacin de los motores y equipos auxiliares. Anticipar y planificar con precisin futuras fallas o daos a los motores y equipos auxiliares. Incrementar la disponibilidad y confiabilidad de los motore