De las Estructuras, Equipamientos Industriales y su Evaluación de

Integridad

(Structures, Industrial Equipment and Integrity Assessment)

Miguel Jordy Oribe Pretel

Resumen:

En efecto el objetivo principal de este artículo científico es enriquecer en buena medida acerca de las

perspectivas, de las valoraciones, criterios y consideraciones que se pueden apoyar y sustentar en la idea de lo que

es una evaluación de la integridad de la estructura, cuya importancia radica en que la estructura en si se

constituyen un sistema constructivo muy difundido en varios países, cuyo empleo suele crecer en función de la

industrialización alcanzada en la región o país donde se requiera y utilice.

Palabras clave: daño, integridad estructural, deformación, interferometria, fracturas, optimización, vida útil, vida

residual, 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 and

considerations that can support and sustain the idea of what is an assessment of the integrity of the structure, the

importance is that the structure if they are a building system widespread in several countries, the use of which tends

to 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 una

nueva disciplina que se conoce como integridad estructural.

Daño se refiere a una imperfección de un componente que puede ser inducida durante la

manufactura o en servicio.

Detección es un concepto relacionado a una técnica experimental que permite comprobar la

existencia de un daño en un material dado o en una estructura. Finalmente, caracterización se

refiere a una técnica analítica o numérica, que permite cuantificar la geometría y extensión de

un 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 y

la predicción de la vida remanente de componentes de maquinaria y estructuras civiles en

servicio. Se fundamenta en la solución de problemas inversos, en los cuales mediciones

experimentales (de deformación, distribución de temperatura, etc.), realizadas sobre los

componentes mecánicos en servicio, son utilizadas para determinar matemáticamente la

existencia de daños y sus características en términos de posición, orientación y tamaño.

Las mediciones de campos de deformación, obtenidos a través de la técnica de

interferometría, son utilizadas para caracterizar fracturas sub-superficiales en componentes

mecánicos. El problema inverso se reformula como un problema de optimización en el cual se

minimiza la diferencia entre el campo de deformación medido y el campo de deformación

obtenido a través de un modelo de elementos finitos del componente. Dada la complejidad de

la topología del espacio de optimización, algoritmos genéticos son usados para la solución del

problema de optimización.

Para los países de Sudamérica es hoy una tecnología esencial la extensión de la vida útil de

las instalaciones industriales, que se hallan seriamente embarcadas en un proceso de

integración y recuperación económica e industrial. Se da una importancia de las tecnologías

asociadas al aseguramiento de la integridad estructural y de la vida útil en su extensión, esto

evidentemente concentrada por el grado de confiabilidad en que se hallan muchos

componentes de las plantas industriales, centrales de generación eléctrica y estructuras civiles

de 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 ve

válido, por ejemplo, para los sectores de generación de energía eléctrica y de la industria

petroquímica, cuyas vidas de proyecto están entre 20 y 40 años. Situaciones semejantes se

dan 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 el

punto 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 se

encuentran en acciones de empresas privadas y de los gobiernos de los países; en el sector

de generación de energía de Brasil en 1989, 51% de las unidades hidroeléctricas y 42% de las

termoeléctricas tenían más de 20 años. En el año 2000 estos números crecieron para 83% y

62% respectivamente...”Se debe dar a la par una política de construcción de unidades nuevas

con una política de extensión de vida para que aumente en términos absolutos y relativos su

capacidad de generación de energía en el sector en mencionado caso... Se evidencia que mas

allá de los detalles de las concesiones esta claramente mostrada la necesidad de la evaluación

de integridad y monitoreo de los elementos estructurales, para proporcionar seguridad al

usuario lograr extender la vida útil de las estructuras diversas

Una de las principales exigencias actúales de las áreas de producción, mantenimiento y

seguridad es implementar una política económicamente viable aunque pueda evaluar la

integridad 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 las

políticas se procura:

Responder a la sociedad que hoy demuestra una mayor concientización de los conceptos de

seguridad, confiabilidad calidad y cuidado del medio ambiente, extender la vida de los

equipamientos existentes, aumentar la productividad alterando los parámetros de procesos y

operación pero manteniendo los mismos equipamientos y estructuras, evitar catástrofes y

altos costos debidos a grandes pérdidas humanas y materiales, lucro cesantes y utilización

parcial de su mantenimiento.

Los conceptos de seguridad y eficiencia económica han sido en los últimos años los factores

dominantes en el desarrollo de procedimientos de fabricar e inspección de estruccion y

equipamiento industrial en los países desarrollados .Se presenta asociaciones internacionales

que agrupan a los legisladores, empresarios , ingenieros y empresas de seguridad en el mundo

han realizado grandes esfuerzos para la racionalización de los procedimientos de evaluación y

mejora de la seguridad de equipamientos y estructuras. Algunas de las asociaciones

interdisciplinarias que han producidos recomendaciones son: ISTLI (International Society for

Techology 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 su

grado de alcance, depende de varios puntos. Esta es la decisión gerencial que debe contar

con un extenso apoyo técnico y también incluir análisis de costos y riesgos. Se deben de tener

en cuenta puntos determinados en la decisión de cuando y como intervenir en la estructura

para hacer la evaluación.

La estructura alcanza una determinada vida, dada por condiciones impuestas por el

proyecto, por recomendaciones del fabricante o constructor, por norma en la cual el proyecto se

basó, o por (nuevas experiencias), la evaluación de integridad estructural se hace necesaria.

Ocurre un accidente en una estructura similar; las similaridades deben incluir todo tipo de

estructura, procedimientos operación y vida de operación de la estructura; ocurren indicios de

que están surgiendo problemas, tales como constatación de fisuras a partir de inspecciones

periódicas, aumento de los costos de mantenimiento, pequeñas accidentes. Son necesarios

cambios en los niveles de solicitaciones, tipos de actividades y rediccionaminto de uso de la

estructura, que no sean cubiertas por el proyecto; que se constate que los riesgos involucrados

con su operación cambiaron tal como la ocurrencia poblacional alrededor de la

estructura/unidad; que se constate la necesidad de cobertura técnica para la adecuación a las

nuevas 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 de

procesos de Corrosión Bajo Tensión (CBT) o Corrosión Fatiga (CF), o bien, asegurar un

comportamiento en servicio bajo condiciones de seguridad idóneas. Este objetivo puede

alcanzarse mediante una adecuada selección de materiales, a través del control del medio

agresivo o minimizando el estado tensional. A pesar del diseño óptimo las fisuras pueden

propagar o hacerlo a velocidad superior a la esperada por varias razones: alteración de las

condiciones de servicio para mejorar el proceso, presencia de áreas con soldadura

inapropiada, variaciones transitorias de la temperatura o las condiciones ambientales, cambios

superficiales del material (ejemplo: depósito de capa oxidante) o envejecimiento; otras veces la

utilización del material idóneo para la aplicación no es económicamente viable o las

predicciones 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 de

fisuración en servicio o analizar las condiciones de fallo, cuando las fisuras son detectadas

Los alcances y la profundidad de una E.I.E., bajo el aspecto gerencial, deben ser decididos

tomando 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 accidentes

Costo y riesgo de catástrofes.

Costo de mantenimiento extemporáneo o prolongado.

Costo de lucro cesante y su reacción en cadena.

Nivel de documentación técnica del equipo o estructura disponible, proyecto (memorias de

cálculo), 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 antes

mencionados.

Costo ecológico derivado de derrames o perdidas, compromiso con la calidad ecológica.

Se trata pues de una investigación multidisciplinar e interdepartamental en donde realizando

trabajos de investigación aplicada, , que contemplan tanto el cálculo mediante elementos

finitos, el desarrollo y la aplicación de modelos de daño dúctiles y frágiles con objeto de

cuantificar la progresión del daño interno generado al cargar mecánicamente elementos

agrietados (probetas, componentes y/o estructuras reales), la caracterización mecánica de los

materiales, incluida la predicción y el análisis del comportamiento a fractura y fatiga y la

optimización micro estructural de los materiales metálicos utilizados en aplicaciones industriales

variadas y el estudio de sus uniones soldadas.

Estudios a fatiga y fractura, análisis de componentes en fase de diseño y la aplicación de las

técnicas de evaluación de la integridad estructural permite definir diseños estructurales y

mecánicas menos susceptibles de sufrir procesos de fractura, fatiga, fluencia o corrosión. La

elección adecuada del material, la técnica de soldadura más apropiada o los radios de acuerdo

en los detalles estructurales son algunos de los ejemplos en los que los servicios de integridad

estructural permiten a fabricantes investigadores, profesionales de ingeniería diseñar

componentes y estructuras más seguras y económicas.

Apoyo en el proceso de fabricación y montaje conjuntamente con las técnicas de integridad

estructural resultan una herramienta muy útil durante la fabricación y el montaje de

componentes industriales, siendo un factor de competitividad clave.

La determinación de defectos máximos tolerables adecuados en los productos terminados o

la determinación de la incidencia en la integridad estructural de daños mecánicos causados

durante la fabricación o el montaje son algunos de los muchos ejemplos en los que un debido

equipo de ingenieros presta su apoyo y asesoramiento a muchas otras empresas o personales

técnicos encargados.

Evaluaciones en servicio y la gestión adecuada de las estructuras y componentes

industriales es un factor clave para la competitividad de la industria. Una vez en servicio, las

estructuras y componentes desarrollan defectos (generalmente fisuras) cuya incidencia en su

integridad estructural no es evidente, ya que fisuras pequeñas pueden causar roturas

inesperadas y, por el contrario, fisuras de gran tamaño pueden no tener influencia alguna en la

estructura. Si no se aplican las técnicas de integridad estructural se pueden llegar a producir

roturas catastróficas o realizar reparaciones o sustituciones de equipos innecesarias, de nuevo

permitiendo evitar este tipo de situaciones.

Solo desde el conocimiento de las causas que originan los fallos de estructuras y

componentes industriales es posible evitarlos en el futuro.

Se atesora una amplísima experiencia en el ámbito del análisis de fallos, determinando las

causas de las roturas de los componentes fabricados, o que forman parte de las instalaciones y

equipos de los mismos. De esta manera es posible, por ejemplo, recomendar modificaciones

en la geometría, el uso de otros materiales, nuevas condiciones de trabajo, determinar

responsabilidades, etc.

Es indiscutible que en la actualidad cada día cobra mayor importancia el “análisis de la

Integridad Estructural” y “Evaluación de la Vida Residual” de las instalaciones industriales con

gran número de horas de explotación, teniendo como objetivo fundamental garantizar la

disponibilidad, confiabilidad, seguridad y cuidado del medio ambiente. Para suplir estas

necesidades, en este trabajo se realiza un estudio de los mecanismos de degradación que

afectan a los economizadores de calderas, la evaluación de los resultados de averías e

inspecciones realizados en un eco de una central termoeléctrica y se proponen las medidas

correctivas con un programa de inspección y diagnóstico de estos componentes basado en los

resultados obtenidos. Para hacer análisis de las bases de datos existentes, se utilizan técnicas

de control de la calidad y confiabilidad para detectar los puntos críticos de los problemas

encontrados.

Aunque una estructura sea capaz de soportar de manera segura todas las solicitaciones de

diseño convencionales, es posible que sufra daños localizados provocados por cargas

localizadas excepcionalmente elevadas como las provocadas por las explosiones de gases o

líquidos industriales, el impacto de un vehículo, el impacto de objetos extraños, y los efectos de

vientos de velocidades muy elevadas como los que se producen durante un tornado. En

general estas cargas o eventos excepcionales no constituyen consideraciones de diseño. La

integridad global de una estructura de hormigón armado por ejemplo ante estas cargas

excepcionales se puede mejorar considerablemente introduciendo algunos cambios

relativamente menores en los detalles de armado, mejorando la redundancia y la ductilidad de

las estructuras. Esto se logra colocando, como mínimo, alguna armadura continua u otros

métodos para vincular entre sí los elementos de la estructura. Si se producen daños en un

elemento estructural principal, o en situaciones de cargas excepcionales, la armadura para

integridad estructural ayuda a restringir los daños resultantes a un área relativamente pequeña

de la estructura, con lo cual mejora su estabilidad global.

No se pretende que las estructuras se diseñen para resistir un colapso generalizado

provocado por usos indebidos ni para resistir cargas excepcionalmente elevadas que actúan

directamente 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 del

alcance de todos los métodos de diseño generales.

Según algunos autores por ejemplos mencionan los tipos de evaluaciones a nivel:

Sector nuclear

Evaluaciones de integridad estructural de componentes. Cálculos de fractura y fatiga en

internos del reactor.

Sector eólico

Diseño y evaluación de componentes de aerogeneradores (onshore y offshore).

Transportes

Control de calidad, análisis y diseño. Reducción de costes y aumento de fiabilidad.

Industria química y petroquímica

Análisis de sistemas de tuberías, accesorios y componentes estructurales. Evaluación de

degradación por corrosión.

Generación térmica

Cálculos tensionales y simulación de elementos sometidos a altas temperaturas.

También se puede llegar dentro del Análisis de integridad estructural a:

Análisis de fallos

Simulación numérica

Caracterización mecánica y química de materiales.

La descripción de la metodología de la evaluación de la integridad estructural se va a dar a

partir de la definición de la naturaleza de las fisuras La primera etapa consiste en la

caracterización completa de la fisura en términos de tamaño, forma y localización en relación

con concentradores de tensión, áreas de soldadura y otro tipo de singularidades. En caso de

presencia de varias fisuras debe evaluarse su densidad y el espacio entre las mismas con

vistas a posibles interacciones presentes o inducidas durante la etapa de propagación.

Identificación de causas de la fisuración La presencia de grietas debe asociarse a algún

proceso mecánico concreto por ejemplo: corrosión-fatiga, corrosión bajo tensión (CBT), etc.

Ésta tarea no siempre resulta sencilla, a menos que las condiciones de servicio permitan

discriminar alguna de las variables, como puede ser la ausencia de tensiones cíclicas con el

tiempo.

La identificación de mecanismos de CBT como causantes de un proceso de fisuración

puede, en algunos casos, como ocurre la presencia de fisuras con ramificación, realizarse

mediante inspección visual, pero en la mayor parte de los casos la experiencia previa y un

examen exhaustivo son insustituibles. La presencia de tensiones cíclicas potencia la posibilidad

de que el mecanismo de propagación sea corrosión fatiga. En este caso, la forma de la onda de

tensión juega un papel dominante en ambientes agresivos, disminuyendo su efecto a medida

que aumenta la frecuencia, también las condiciones de servicio que deben ser definidas

incluyen estado tensional y ambiental. En el primer caso es necesario asumir o hacer hipótesis

razonables sobre las tensiones de trabajo en la estructura, incluyendo las que aparecen

durante las operaciones normales de funcionamiento (principalmente estáticas o cíclicas e

carácter 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 de

laminación y la presencia de tensiones multiaxiales. Entre todas, las tensiones de tipo

transitorio 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 de

laboratorio.

La definición de las condiciones ambientales puede ser un objetivo aún más desafiante. Si

bien las condiciones ambientales de servicio resultan normalmente bien conocidas y

caracterizadas, estas pueden variar localmente debido a cambios en la naturaleza,

concentración o temperatura del medio, provocando una fuerza inductora del proceso de

fisuración diferente a la calculada.

Factores como el cambio en la concentración de iones, procedentes de procesos de

corrosión locales, que son especialmente activos en procesos de intercambio de calor a altas

temperaturas, representan un elemento crítico en la iniciación de procesos de CBT. Otros

factores a considerar son la variación de temperaturas, la presencia de oxígeno, etc. La

correcta 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 el

material actualmente existente coincide con el definido en la etapa de diseño. De igual modo

debe comprobarse la orientación micro estructural del material en relación con las tensiones

principales aplicadas.

Una característica singular de los materiales procedentes de laminación y con estructura de

grano alargada es la asimetría de comportamiento frente a procesos de CBT en direcciones

longitudinal y transversal, acabado superficial y trabajo en frío. En los ensayos en laboratorio

las piezas presentan, normalmente, un buen acabado superficial. En servicio, los materiales no

presentan la misma calidad superficial al ser suministrados tal como finalizan el proceso de

laminación en frío. Debido a este factor aparecen tensiones superficiales, capas deformadas,

zonas endurecidas locales, e incluso áreas con cambios de fase. Por estas razones, la

figuración por procesos de CBT en servicio no siempre puede reproducirse correctamente por

medio de ensayos en laboratorio, a menos que seamos especialmente cuidadosos con los

detalles.

Otro aspecto más importante a tener en cuenta en relación con la presencia de soldaduras

es la aparición de zonas con tensiones residuales junto con cambios en la microestructura y en

las propiedades mecánicas, especialmente la dureza, que conllevan comportamientos

singulares a escala local frente a CBT. La problemática de las soldaduras en relación con

cambios micro estructurales y de comportamiento mecánico puede tener su origen en la propia

cualificación de los procesos de soldadura, un aporte térmico demasiado elevado, una

selección de materiales de aportación que produzca efectos de fragilización en borde de grano

o precipitación de fases pueden ser aspectos críticos en el comportamiento posterior en

servicio. Todos estos factores no son siempre posibles de evaluar in-situ pero deben tenerse en

cuenta a la hora de realizar ensayos de caracterización y aplicar las técnicas de integridad

estructural.

Los materiales sometidos a efectos de altas temperaturas durante periodos de tiempo largos

pueden presentar fenómenos de envejecimiento; los cambios micro estructurales y

micromecánicos asociados pueden, a menudo, modificar el comportamiento frente a procesos

de CBT. El daño por radiación asociado a aplicaciones de la industria nuclear conlleva un

endurecimiento de los aceros y en algunos casos, en aceros austeníticos, una forma de

fragilización asociada a la pérdida de cromo en borde de grano, que no implica la formación de

carburos. Además del efecto fragilizador descrito, la radiación y el envejecimiento térmico

provocan la reducción de la tenacidad y, por tanto, del tamaño de fisura crítico que ocasiona la

rotura 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, es

necesario obtener toda la información disponible sobre el comportamiento en CBT del material

estudiado, especialmente el factor de intensidad de tensiones umbral y la velocidad de

propagación.

El análisis de componentes y estructuras que contienen fisuras crecientes requiere cierto

grado de especialización y experiencia a causa de la complejidad inherente del mecanismo de

avance de fisura. El análisis incluye el uso de una caracterización de la fractura e integración

numérica de una ley de crecimiento de fisura.

Referencias bibliográficas:

http://www.aaende.org.ar/sitio/biblioteca/material/TrabajoCORENDEEDEN.pdf

http://oa.upm.es/204/1/04200512.pdf

http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/integridad-estructural

http://www.upc.edu/cmem/investigacion/comportamiento-mecanico-de-metales-y-ceramicas

http://www.materiales-sam.org.ar

http://www.gef.es/Congresos/23/pdf/4-15.pdf

http://redalyc.uaemex.mx/pdf/496/49611945003.pdf

http://www.slideshare.net/guest7801ac/paper-congreso-integridad-iapg-rbi-planta-de-

tratamiento