Análisis de Falla de Motor Waukesha de 500 kw de Generación Eléctrica



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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL


Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción

“Análisis de Falla de Motor Waukesha de 500 KW de Generación Eléctrica”


TESIS DE GRADO

Previo a la obtención del Título de:



INGENIERO MECÁNICO

Presentada por:

Richard Hitler Holguín Alava

GUAYAQUIL – ECUADOR

AÑO 2013


AGRADECIMIENTO

A todas las personas que de una u otra manera colaboraron en la realización de este trabajo y especialmente a mis padres y esposa por su invalorable ayuda.




DEDICATORIA

A DIOS
A MIS PADRES


A MI ESPOSA Y A MIS
HIJAS
GABRIELA,ANDREA Y
VALENTINA.


TRIBUNAL DE GRADUACIÓN


________________________

_____________________

Dr. Kleber Barcia V., Ph.D.

Ing. Ignacio Wiesner F.

DECANO DE LA FIMCP

DIRECTOR

PRESIDENTE



___________________________


Ing. Eduardo Rivadeneira P.
VOCAL


DECLARACIÓN EXPRESA

“La responsabilidad del contenido de esta Tesis de Grado, me corresponde exclusivamente; y el patrimonio intelectual del mismo a la ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DELLITORAL”


(Reglamento de Graduación de la ESPOL)

Richard Hitler Holguín Alava

II

RESUMEN

El presente trabajo profesional se basa en la realización del análisis de la falla de un generador Waukesha con un motor de 6 cilindros que perteneció a una Refinería de Petróleo, el mismo que falló mecánicamente de una forma catastrófica después de una reparación y mantenimiento efectuado unos meses antes del colapso.


En el establecimiento de las causas de la falla se utilizaron conocimientos adquiridos en la ESPOL y experiencia propia con lo que se logró encontrar evidencias del porqué de la falla y las condiciones que produjeron las causas y la secuencia de factores que influyeron en el deterioro de componentes hasta llegar a la fractura del cigüeñal y demás daños que pusieron al equipo fuera de servicio.


En el capítulo 1 se revisaron las fuentes de información generadas en la planta concerniente con las bitácoras de operación y mantenimiento, además de la información del grupo de personas que operaban y daban mantenimiento a dicha máquina, junto a la información entregada por el contratista que efectuó la última reparación en el motor.


En el capítulo 2 se realizaron los ensayos de taller y laboratorio para obtener información sobre las partes afectadas y sobre el material del

III

cigüeñal, también se usaron técnicas metalúrgicas como: la microscopia óptica, tintas penetrantes y fractografía para contar con datos que identifiquen las causas que provocaron la falla del componente principal del motor que es el cigüeñal.


En el capítulo 3 se realizaron evaluaciones de las causas mecánicas y metalúrgicas que provocaron el mal funcionamiento del motor, estos son desgastes, fisuras y fracturas de componentes que llevaron a la máquina a cambios irreversibles y comprometedores con la falla final.


Posteriormente se realizó la discusión de los resultados con los que se llegó a establecer la causa raíz y las conclusiones y recomendaciones.

IV

ÍNDICE GENERAL
Pág.
Resumen………………………………………………………………….….…..… II Índice General…………………………………………………………….…….… IV Abreviaturas……………………………………………………………….......…. VI Índice de Figuras……………………………………………................….……..VIII Índice de Tablas…………………………………………………………………… X
Introducción………………………………………………………………………... 1

CAPÍTULO 1


  1. REVISIÓN DE INFORMACIÓN RELEVANTE EN MOTOR-GENERADOR WAUKESHA…………………………………………………3




    1. Descripción de la Instalación de Generación Eléctrica…………….. 3




    1. Revisión de Información de la Planta Previo al Último Mantenimiento………………………………………………………….. 8




    1. Revisión de Información de la Última Reparación Efectuada

al Motor…………………………………………………………………. 12




  1. Revisión de Información de Operación después del Último Mantenimiento…………………………………………………………. 17

V

CAPÍTULO 2


  1. ANÁLISIS MECÁNICO Y METALÚRGICO DE LA FALLA DEL MOTOR………………………………………………………………………. 21




    1. Evidencia de Falla de los Componentes del Motor………………. 21




    1. Evaluación Metalúrgica del Material del Cigüeñal…………………. 26




    1. Análisis Metalúrgico de la Fractura del Cigüeñal…………………. 34




    1. Fractografía del Cigüeñal………………………………………………40


CAPÍTULO 3


  1. ANÁLISIS DE CAUSAS DE FALLA DEL MOTOR……………………….. 45




    1. Evaluaciones de las Causas Mecánicas……………………………. 45




    1. Evaluaciones Metalúrgicas de las Fallas……………………………. 48

CAPÍTULO 4
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………….. 51


APÉNDICES
BIBLIOGRAFÍA

VI







ABREVIATURAS




A

Amperes




Amp.

Amperios




CFM

Pies cúbicosporminuto




cm

centímetro




d

diámetro




dB

decibeles




h

hora




Hz

hertz




Kcal

Kilocalorías




Kg.

Kilogramo




Kw

Kilowatio




lb.

libra




m

metro




m2

metro cuadrado




m3

metro cúbico




mm

milímetro




N m2

Newton metro cuadrado




ºc

Gradoscentígrados




Pulg.

Pulgadas




r

radio




Rc

Rockwell C




s

segundos




V

Voltaje




volts

voltios




W

watts




Ω

ohmios




A

área




AC

corrientealterna




Al

Aluminio




P

Caída de presión




Babbit

Material que encubre las chapas de biela y bancada




C

carbono




Co

cobalto




Cr

cromo




Cu

cobre




DC

corrientedirecta






Eficiencia










f

factor de fricción




i

intensidad de corriente




VII





Factor de corrección










k

conductividadtérmica




kva

kva







l

longitud







.










m

Flujomásico







min

minuto







Mn

Magnesio







Ni

Niquel









Densidad
















Pb

plomo







P

presión







R

resistencia







R.P.M.

revoluciónporminuto




rad

radianes







rev

revolución







Sn

Estaño







Ti

Titanio







unidad #3

motor generador

#3




unidad #4

motor generador

#4




v

velocidad







V

voltaje







.










V

Flujovolumétrico









Peso especifico


















Viscosidaddinámica






Pi







Øext

diámetro exterior







Øint

diámetro interior









Potencia en KW.







%

porcentaje








Velocidad angular

VIII

ÍNDICE DE FIGURAS
Pág.
Figura 1.1 Ubicación de la Unidad Nº4 y Unidad Nº3…... 4
Figura 1.2 Motor-Generador waukesha VHP 5900 DS 5
Figura 1.3 Placas de Identificación de Motor-Generador Nº4 7
Figura 1.4 Desensamblaje del Motor…………………... 19
Figura 1.5 Partes Obtenidas Para Realizar el Análisis de Fallas del
Cigüeñal 20
Figura 2.1 Fractura externa del Block… 22
Figura 2.2 Camisa del Pistón Nº 4 22
Figura 2.3 Un Pistón con Ralladuras y Rines Pegados 23
Figura 2.4 Brazo de Biela Nº 4 Deformado 23
Figura 2.5 Cepos de Brazos de Bielas y Chapas de Bielas Deformados
Con Desprendimiento de material Babbit…………………….... 24
Figura 2.6 Muñón de Biela Fracturado (Posición Nº 8) 24
Figura 2.7 Chapas de Bancada Sin Material Antifricción 25
Figura 2.8 Cepos de Bancada Deformados 25
Figura 2.9 Cigüeñal en Donde se Indica la Posición 10, 11Y 12 de
los Muñones de Biela y Bancada 26
Figura 2.10 Cigüeñal Fracturado (Vista de Dos Posiciones) 27
Figura 2.11 Sitio de la Superficie Fracturada del Cigüeñal… 28
Figura 2.12 Probeta del Metal del Cigüeñal en que se Analizó la
Composición Química…........... 29
Figura 2.13 Zonas del Corte sin Ataque Químico 31
Figura 2.14 Probeta con Ataque Químico para Visualizar Fases
Presentes………………………………………………………….. 31
Figura 2.15 Collage de Foto y Micrografías de la Misma Probeta 33
Figura 2.16 Los Seis Muñones de Biela Numerados de Acuerdo a las
Posiciones Relativas en el Cigüeñal 35
Figura 2.17 Afectaciones Sobre las Superficies de los Siete Muñones
de Bancada 36
Figura 2.18 Muñon de Bancada en la Posición Nº 7 37
Figura 2.19 Rayaduras y Adherencias de Metal Babbitt en las Posiciónes
7 y 8 en el Cigueñal 38
Figura 2.20 Cigüeñal en Posición Vertical Ensayado con Tintas
Penetrantes 39
Figura 2.21 Acercamiento de Muñón de Bancada en la Posición Nº 7

IX


y Ensayada con Tintas Penetrantes 40
Figura 2.22 Patrón de Fractura de la Posición Nº 7 y Posición Nº 8…… 41
Figura 2.23 Sección B de la Posición Nº8 Posee Mayores Marcas para
un Mejor Análisis………………………………………………….. 42
Figura 2.24 Muestra de Morfología de la Falla Por Fatiga (Marcas de
Playa)………………………………………………………………. 43
Figura 2.25 Origen de la Ruptura del Cigüeñal……………………………… 44

X

ÍNDICE DE TABLAS

Pág.
Tabla 1 Información Obtenida de la Bitácora de Mantenimiento 9
Tabla 2 Información Obtenida de la Bitácora de Operación….…..…………10
Tabla 3 Resultados de Análisis Químico…………………………………….. 29

INTRODUCCIÓN

El trabajo del Ingeniero consiste en aplicar métodos científicos para enfrentar diversos problemas dónde no es fácil encontrar la verdad de acontecimientos en los cuales no existe suficiente información de los hechos ocurridos.


En el año 2012 participé en la solución de un problema relacionado con mi actividad profesional, la misma que tiene relación con motores de combustión interna a diesel ya que mi trabajo es de Jefe de Mantenimiento de la flota de transporte masivo también llamado Consorcio Metroquil y por ende, mi contacto con los motores de los vehículos de transporte es habitual, habiendo acumulado experiencia para enfrentar temas concernientes con la operación, mantenimiento y análisis de fallas de dichas máquinas.


El presente trabajo está relacionado con la falla mecánica catastrófica del motor del generador Waukesha, VHP5900DS de 6 cilindros que perteneció a una instalación de generación eléctrica de 500 KW de una Refinería de Petróleo.


La ruptura del cigüeñal de dicho motor ocurrió luego de 3 meses de haberse realizado el último mantenimiento.

2

El objetivo general planteado para este problema fue determinar la causa raíz del daño del motor, y los objetivos específicos que fueron planteados para resolver el problema fueron los siguientes:




  • Revisar la información de Planta.







  • Retirar el cigüeñal de planta para realizar ensayos de laboratorio, mismos que fueron los siguientes:




    • Calificación del metal del cigüeñal,




    • Evaluaciónmetalográfica del metal,







    • Efectuar fractografía sobre las superficies expuestas.

La ayuda proporcionada por las técnicas de ingeniería fue invaluable para encontrar una respuesta lógica al problema, es mas también se tuvo que aplicar los conceptos y métodos de la metalúrgia forense puesto que la documentación proporcionada por la planta fue imprecisa y no reflejó la historia de los hechos sobre la vida de la máquina durante los últimos meses de funcionamiento.



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