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MANTENIMIENTO PREDICTIVO Técnicas de Mantenimiento Condicional basadas en la medición de variables físicas

Con la colaboración de:

Colección MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Volumen 3

Colección MANTENIMIENTO INDUSTRIAL Volumen 1: El mantenimiento sistemático Volumen 2: Paradas y grandes revisiones

Volumen 3: Mantenimiento Predictivo Volumen 4: Mantenimiento Correctivo Volumen 5: Mantenimiento Legal. Trabajos de mantenimiento según normas reglamentarias Volumen 6: Ingeniería del mantenimiento La colección MANTENIMIENTO INDUSTRIAL está editada por RENOVETEC, y está basada en el libro “LA CONTRATACIÓN DEL MANTENIMIENTO”

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© Santiago García Garrido 2009 © Editorial RENOVETEC 2009 Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio sin la autorización expresa y por escrito del titular del copyright

Obra inscrita en el Registro de la Propiedad Intelectual, Oficina Territorial de Madrid

Edita: Editorial RENOVETEC Maquetación: Diego Martín Diseño de Portada: L. Peñuelas

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Mantenimiento Predictivo Índice

1. El mantenimiento predictivo 2. Análisis de vibraciones 3. Termografía 4. Otras técnicas predictivas 4.1. Boroscopias 4.2. Medición de ultrasonidos 4.3. Análisis de aceite 4.4. Análisis de gases de escape

CURSO DE MOTORES DE GAS EN PLANTAS DE COGENERACIÓN Madrid, 23 y 24 de Septiembre 2009 Hotel Abba Madrid

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EL MANTENIMIENTO SISTEMÁTICO FRENTE A LAS TÉCNICAS PREDICTIVAS

1.1. El mantenimiento sistemático frente a las técnicas predictivas El mantenimiento predictivo es un tipo de mantenimiento que relaciona una variable física con el desgaste o estado de una máquina. El mantenimiento predictivo se basa en la medición, seguimiento y monitoreo de parámetros y condiciones operativas de un equipo o instalación. A tal efecto, se definen y gestionan valores de pre-alarma y de actuación de todos aquellos parámetros que se considera necesario medir y gestionar. La información más importante que arroja este tipo de seguimiento de los equipos es la tendencia de los valores, ya que es la que permitirá calcular o prever, con cierto margen de error, cuando un equipo fallará; por ese el motivo se denominan técnicas predictivas. En la figura 1 se indica la gráfica de un valor de vibración correspondiente a un cojinete, y que presenta un tendencia alcista. Cuando se alcanza un determinado valor es conveniente reemplazar el cojinete. Si no se realiza, el cojinete terminará fallando.

Fig. 7.1 Grafica de tendencia de un valor de amplitud de vibración de un cojinete. RENOVETEC Formación en Tecnología

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COLECCIÓN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL, VOLUMEN 3

Frente al mantenimiento sistemático tiene la ventaja indudable de que en la mayoría de las ocasiones no es necesario realizar grandes desmontajes, y en muchos casos ni siquiera pararla. Si tras la inspección se aprecia algo irregular se propone o se programa una intervención. Además de prever el fallo catastrófico de una pieza, y por tanto, pudiendo anticiparse a éste, las técnicas de mantenimiento predictivo ofrecen una ventaja adicional: la compra de repuestos se realiza cuando se necesita, eliminando pues stocks (capital inmovilizado) Las técnicas predictivas que habitualmente se emplean en la industria y en el mantenimiento de edificios son las siguientes:

⎯

Análisis de vibraciones, que es la estrella de las técnicas predictivas

⎯

Boroscopias

⎯

Termografías

⎯

Análisis de aceites

⎯

Control de espesores en equipos estáticos

⎯

Inspecciones visuales

⎯

Lectura de indicadores

La razón fundamental por la que el mantenimiento predictivo ha tenido un notable desarrollo en los últimos tiempos hay que buscarla en un error cometido tradicionalmente por los ingenieros de mantenimiento para estimar la realización de tareas de mantenimiento de carácter preventivo: las <>, detalladas en la figura 2, que representan la probabilidad de fallo frente al tiempo de uso de la máquina, y que se suponían ciertas y lógicas, han resultado no corresponder con la mayoría de los elementos que componen un equipo. En estas curvas se reconocían tres zonas:

⎯

Zona inicial, de baja fiabilidad, por averías infantiles

⎯

Zona de fiabilidad estable, o zona de madurez del equipo

⎯

Zona final, nuevamente de baja fiabilidad, o zona de envejecimiento.

Como se daba por cierta esta curva para cualquier equipo, se suponía que transcurrido un tiempo (la vida útil del equipo), éste alcanzaría su etapa de envejecimiento, en el que la fiabilidad disminuiría mucho, y por tanto, la probabilidad de fallo aumentaría en igual proporción. De esta manera, para alargar la vida útil del equipo y mantener controlada su probabilidad de fallo era conveniente realizar una serie de tareas en la zona de envejecimiento, algo parecido a un ‘lifting’, para que la fiabilidad aumentara.

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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 7 Zona infantil

Zona de Desgaste

Zona de madurez

REVISIÓN

Fig. 2 Curva de bañera. Probabilidad de fallo vs. Tiempo La estadística ha demostrado que, tras estudiar el comportamiento de los equipos en una planta industrial, el ciclo de vida de la mayoría de los equipos no se corresponde únicamente con la curva de bañera, sino que se diferencian 6 tipos de curvas, que se indican en la figura 7.3. Curva de

No hay etapa Probabilidad de fallo Baja probabilidad inicial; Estable en toda Etapa infantil con alta probabilidad de fallo. Des-

Fig. 3 Diferentes curvas de Probabilidad de fallo vs. tiempo Curiosamente, la mayor parte de los elementos que constituyen los equipos no se comportan siguiendo la curva A o ‘curva de bañera’. Los equipos complejos se comportan siguiendo el modelo E, en el que la probabilidad de fallo es constante a lo largo de su vida, y el modelo F, en el que tras una etapa inicial con una mayor probabilidad de fallo infantil, la probabilidad de fallo se estabiliza y permanece constante. Eso hace que no sea identificable un momento en el que realizar una revisión sistemática del equipo, con la sustitución de determinadas piezas, ante la imposibilidad de determinar cual es el momento ideal, pues la probabilidad de fallo permanece constante. Incluso, puede ser contraproducente si curva de probabilidad sigue el modelo F, pues estaríamos introduciendo mayor probabilidad de fallo infantil al sustituir determinadas piezas, como se indica en la figura 4.


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Fig. 4 Curva tipo F tras una revisión. La probabilidad de fallo aumenta justo después de la revisión Por todo ello, muchas plantas industriales prefieren abandonar la idea de un mantenimiento sistemático para una buena parte de los equipos que la componen, por ineficaz y por representar un coste fijo elevado y poco justificado; en cambio, ha preferido recurrir a las diversas técnicas de mantenimiento condicional o predictivo como alternativa al mantenimiento preventivo sistemático.

1.2. Los tres objetivos al realizar el seguimiento de una variable física Cuando se monitoriza una variable física relacionada con el estado de la máquina, se buscan alguno de los siguientes cuatro objetivos: vigilancia, protección, diagnóstico y pronóstico

⎯ Vigilancia. Cuando se mide una variable física con este objetivo se busca que la técnica predictiva empleada indique la existencia de un problema. Debe distinguir entre condición buena o mala para funcionar, e incluso, si es mala, indicar cuán mala es. Es el caso de la monitorización en continuo de las vibraciones de una turbina de vapor, por ejemplo

⎯ Protección. Su objetivo es evitar fallas catastróficas. Una máquina está protegida, si cuando los valores que indican su condición llegan a valores considerados peligrosos, la máquina se detiene automáticamente.

⎯ Diagnóstico de fallos. Su objetivo es identificar cuál es el problema específico que presenta el equipo, no sólo si existe un problema o no.

⎯ Pronóstico. El objetivo es estimar cuánto tiempo más podría funcionar la máquina sin riesgo de un fallo catastrófico.


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1.3. ¿Es el mantenimiento predictivo algo realmente útil y práctico? Pero ¿es el mantenimiento predictivo una elucubración mental, el capricho de un técnico que deseoso de jugar con una herramienta de alta tecnología o realmente tiene alguna aplicación práctica en un entorno industrial real? Probablemente, quien así lo plantea está pensando únicamente en el análisis de vibraciones. El precio de los equipos, la baja preparación de muchos técnicos, las dificultades de formación y lo complicado que resulta el análisis de los resultados a la hora de tomar decisiones basadas en éstos, han creado una mala fama a dicha técnica, que ha lastrado la imagen del mantenimiento predictivo. Y no es que el análisis de vibraciones no sea una técnica soberbia sobre el papel. Simplemente, es que es complicada. Son tantas variables las que hay que tener en cuenta que hay que ser un gran experto para sacar conclusiones válidas, conclusiones fiables, que por ejemplo nos hagan tomar la decisión de abrir una máquina cara y cambiar sus rodamientos, o alinear, o rectificar un eje. ¿Pero el mantenimiento predictivo es únicamente análisis de vibraciones? Por supuesto que no. No es lo mismo cuestionarse el análisis de vibraciones como técnica fiable que el mantenimiento predictivo en general. Recordemos que el alma del mantenimiento predictivo es, precisamente, la predicción. Se basa en tratar de predecir el estado de una máquina relacionándolo con una variable física de fácil medición. Por tanto, parece que el mantenimiento predictivo no es sólo el análisis de vibraciones. ¿Y qué variables físicas podemos relacionar con el desgaste? Muchas: la temperatura, la presión, la composición fisicoquímica de un aceite de lubricación, etc. Hasta el aspecto físico de una máquina puede relacionarse con su estado. Así, tomar lectura de la presión de descarga de una bomba, y ver su evolución en el tiempo nos puede dar una idea del estado de ésta (posibles obstrucciones en la admisión, estado del rodete). Tomar la temperatura de los rodamientos de un motor diariamente es también mantenimiento predictivo, por ejemplo. Pueden establecerse en dos categorías relacionadas con las tareas de mantenimiento predictivo: las técnicas sencillas, de fácil realización, y las técnicas que requieren de ciertos conocimientos y equipos sofisticados. Dentro de las primeras estarían las inspecciones visuales de los equipos, las tomas de datos con instrumentación instalada de forma permanente (termómetros, manómetros, caudalímetros, medidas de desplazamiento o vibración, etc.). Estas técnicas rara vez se subcontratan por sí solas, a no ser que estas comprobaciones entren dentro de un contrato de mantenimiento mucho más amplio (un contrato de mantenimiento integral, por ejemplo). Dentro de técnicas complejas destacan cinco: las boroscopias, los análisis de vibraciones, las termografías, los análisis de aceite y el análisis por ultrasonido. Estas requieren de conocimientos profundos y de equipos sofisticados que además es necesario mantener actualizados, y de los que las empresas cliente no suelen disponer.


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Las boroscopias requieren del manejo de un equipo óptico sencillo, pero una formación profunda acerca de lo que se desea observar. Parece obvio que introducir una pequeña cámara o lente en el interior de un gran motor de combustión para observar el estado de las camisas es más útil que abrir el motor. Si hablamos de turbinas de gas o de vapor, todavía es mucho más obvio. Al margen de que se disponga o no del equipo óptico, la formación necesaria sobre la máquina que se está observando, y cómo se identifica un fallo o un comportamiento anormal en una superficie del interior de una máquina es generalmente muy alta. Sobre los análisis de aceites, necesitan de un laboratorio bien equipado, y de químicos que interpreten sus resultados. Es un servicio que generalmente se pone en manos de un laboratorio externo, aunque hay que tener en cuenta que el suministrador del aceite suele prestar de forma gratuita este servicio. Sobre el análisis de vibraciones, los equipos son caros y requieren de una formación realmente profunda. Aún así, la interpretación de los resultados no resulta sencilla, y tomar la decisión de programar una intervención cara o una sustitución de un elemento basándose únicamente en la interpretación de los gráficos resultantes no suele ser sencillo. Sobre termografías y mediciones termométricas, los equipos han bajado mucho de precio. La formación es mucho más sencilla, ya que los defectos y fallas se ponen de manifiesto de una manera muy visual. Por tanto, es una técnica que rara vez se externaliza, por el precio bajo de los equipos y la facilidad para recibir la formación necesaria, a no ser que el servicio esté incluido dentro de un contrato de mantenimiento mucho más amplio. La medición de espesores en equipos estáticos por ultrasonidos o por corrientes de Edison es otra técnica de aplicación en plantas industriales que lo requieran y que habitualmente se pone en manos de un contratista especializado, por las razones ya descritas (precio de los equipos y formación especializada de los técnicos).

1.4. La evolución del valor medido Es importante indicar que en la obtención de los valores obtenidos cuando se aplican técnicas predictivas y las conclusiones que se obtienen es muy importante el histórico de esos valores y su evolución. Eso quiere decir que para que estas técnicas puedan arrojar resultados efectivos hay que tener en cuenta no sólo el valor actual, sino las variaciones que se van produciendo en estos valores. Por tanto, cuando se contratan estos trabajos es conveniente hacerlo por un largo periodo de tiempo, con visitas periódicas y análisis de la evolución de los valores, y no para una inspección puntual.

1.5.El equilibrio técnico-económico y la información Cuando se contratan este tipo de trabajos, es el especialista en vibraciones quien hace la propuesta técnicamente idónea para los equipos a medir. Por supuesto, no se puede obviar que como en todas las áreas de una empresa, siempre se debe buscar el equilibrio entre costes y resultados, por lo que la propuesta técnicamente idónea, suele estar alejada de la económicamente idónea. Por ello es importante ofrecer a la empresa que prestará el servicio información sobre:


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⎯ Importancia y criticidad de los equipos dentro del proceso. Este es un factor determinante para realizar un tipo de análisis u otro (o no hacerlo), e incluso para determinar el número de puntos a medir, y la cantidad de veces a hacerlo.

⎯ Tipos de averías que se intentan evitar. A la hora de analizar un equipo, ayuda a simplificar el hecho de que haya un tipo de avería que deba evitarse a toda costa, y otros tipos de fallo que no sean tan importantes; eso nos permitirá enfocar la técnica en una dirección que verdaderamente pueda ofrecer resultados.

⎯ Riesgos a eliminar vs. riesgos a evitar. Ligado al punto anterior, se puede crear un listado con los riesgos asumibles por parte de la planta, y los que se desean eliminar por completo. Por ejemplo, se puede pretender eliminar por completo una desalineación en una transmisión por correas en una planta donde un excesivo calentamiento de estas puede poner en peligro las instalaciones o a personas, y en otra planta con el mismo equipo, ser un tipo de avería perfectamente asumible. Y por supuesto siempre debe suministrarse al técnico información genérica sobre el equipo:

⎯

Información técnica del equipo

⎯

Información histórica

⎯

Y durante las mediciones, información sobre modificaciones realizadas en el equipo, averías, preventivos o cualquier tipo de anomalía que haya sido detectada en la máquina

1.6. La justificación económica En el apartado anterior se hablaba sobre la necesidad de una justificación económica para aplicar para aplicar este tipo de herramientas, pues no hay que olvidar que son tecnologías que utilizan equipos caros y requieren de personalmente altamente capacitado, con remuneraciones que afectan los costes de cualquier operación. Entonces ¿cómo se justifica el uso de estas técnicas, ya sean realizadas con recursos propios de la empresa o con una empresa externa? Los factores que hay que considerar para justificar si económicamente una técnica determinada es viable son los siguientes:

⎯

Valor de compra del equipo. Sin ser necesario el uso explícito de ejemplos numéricos, el valor de compra del equipo, siempre será un referente a utilizar como comparación. Por supuesto es difícil establecer un límite para ello, el sentido común dirá cuán representativo es el porcentaje que resulta del coste de uso de la herramienta respecto del valor de la máquina:

Valor =

Coste herramient a x100 Coste de la máquina analizada


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⎯

Averías históricas. El tener un histórico de reparaciones de una máquina, siempre permitirá encontrar un valor para comparar, respecto al valor de usar de la herramienta predictiva, entendiendo que ese coste de reparación es lo que se pretende evitar o reducir con la aplicación continuada de las técnicas predictivas

⎯

Valor de una avería/urgencia. Como ya se ha dicho, este tipo de herramientas permite prever cuando será necesaria la intervención del equipo de mantenimiento. Esto permite:

⎯

⎯

Eliminar costes del stock de recambios

⎯

Eliminar costes de esperas de recambios no disponibles en el momento de la avería

⎯

gestionar con tiempo la compra de recambios (precios, plazos de entrega, etc.)

Valor de un paro productivo. Este suele ser un factor determinante a la hora de justificar el uso de una herramienta predictiva

1.7. El factor tiempo en el análisis predictivo ¿qué son las rutas predictivas? El tiempo es la variable que marca la tendencia de un valor controlado, y es por tanto quien determina la eficacia de un análisis predictivo. El especialista (que como se ha comentado es un puesto que requiere una excelente formación), es el que determina los intervalos en los cuales se deben realizar las tomas de datos para eliminar o minimizar averías en los equipos. Para ello crea lo que se denominan rutas predictivas, que no es más que el acuerdo entre las empresas sobre:

⎯

El número de máquinas que se medirán en la planta

⎯

El número (y especificación) de puntos que se medirán en los equipos

⎯

La frecuencia con la que se acudirá a la planta a medir los equipos

1.8. El mantenimiento predictivo como sustituto completo del mantenimiento sistemático Es indudable que enfocar la actividad de mantenimiento hacia el predictivo ha supuesto un avance, y representa una alternativa al preventivo sistemático o al correctivo. No obstante, afirmar que el predictivo puede sustituir completamente al mantenimiento sistemático es, cuando menos, bastante arriesgado. Afirmar eso tiene tan poco rigor como afirmar que todos los equipos hay que llevarlos a correctivo o en todos los equipos hay que hacer un mantenimiento sistemático. Imaginemos el caso de un equipo que debe funcionar 8760 horas al año. ¿Seguro que el predictivo es la alternativa? Imaginemos una turbina de gas de gran tamaño. El objetivo de disponibilidad es muy alto, por encima del 95%. Si hoy detectamos vibraciones y paramos para solucionar-


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 13 lo, mañana detectamos problemas en el aceite y paramos para solucionarlo, hacemos una boroscopia y hay problemas en un álabe, y abrimos la turbina (1 mes) para solucionarlo, otro día la bomba de lubricación tiene una temperatura alta en un rodamiento, y paramos, poco después detectamos con termografía un problema en el alternador o en el transformador, y paramos...¿sería posible conseguir más de un 95% de disponibilidad, que es por cierto una cifra muy habitual en ese sector? La respuesta es no. En instalaciones que requieren de una altísima disponibilidad el mantenimiento no puede basarse únicamente en predictivo. Es imprescindible basarlo en un mantenimiento sistemático, de forma que una vez al año haya una parada de mantenimiento en la que se revisen determinados equipos, cada 2-4 años se sustituyen sistemáticamente los elementos de desgaste, se trata el aceite, se revisa la instalación eléctrica de forma exhaustiva, etc. Además de eso, durante el tiempo de funcionamiento la planta va a estar muy vigilada de forma predictiva, realizándose boroscopias, termografías, análisis de vibraciones, de aceite, medición de espesores, etc. Y si se detecta un problema, será una gran desgracia y habrá que parar. Pero si el sistemático se hace correctamente, el diseño de la instalación y la selección de equipos es apropiada, el preventivo sistemático suele dar un resultado estupendo, que el predictivo por sí solo sería incapaz de ofrecer. Hay equipos, además, que se llevan a correctivo, sin más. Es el caso de equipos duplicados de bajo coste y poca responsabilidad. No merece la pena hacer termografías, análisis de vibraciones, análisis amperimétricos, análisis de aceite. Si se rompe se repara, y ya está. Se observa el equipo, se mantiene limpio y engrasado, eso sí, pero poco más. Todo esto indica que las técnicas predictivas no son herramientas generalistas, y como se subrayó al hablar de economía y información, se aplicará siempre que un equipo lo justifique económicamente, o sea, en aquellos equipos cuyos fallos sean catalogados como críticos o importantes en una planta. Por tanto, aún siendo las técnicas predictivas de gran importancia y que han supuesto un paso adelante en el mundo del mantenimiento, no es posible afirmar que todo el mantenimiento de cualquier planta industrial deba basarse en tareas condicionales dependiendo del resultado de las inspecciones predictivas.

1.8. La calidad de los equipos cuando se ofrecen servicios de mantenimiento predictivo Un contrato de servicios de mantenimiento predictivo suele tener un coste alto, por que los conocimientos son muy especializados y porque los equipos que se emplean son caros. Cualquier empresa que ofrezca servicios de mantenimiento predictivo debe contar con la mejor herramienta disponible en el mercado. Eso supone:

⎯

Tener herramienta actualizada, que debe reponerse y amortizarse en plazos cortos, generalmente inferiores a dos años. En ese tiempo la tecnología suele haber dado avances muy significativos que hacen que una empresa que no haya actualizado sus equipos tenga medios obsoletos

⎯

Tener un conocimiento muy exhaustivo de esa herramienta y de sus posibilidades.


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Así, una empresa no puede ofrecer servicios de termografía infrarroja si no dispone de una cámara con resolución superior a 200x200 pixel; o no puede ofrecer servicios de análisis de vibraciones si no dispone de los mejores sensores, el mejor equipo y el mejor software de análisis; tampoco puede ofrecer servicios de boroscopia una empresa con una máquina de observación sin posibilidad de registro de las imágenes. Por tanto, hay que distinguir claramente entre los equipos para mantenimiento que pueden formar parte de la herramienta de un departamento y los equipos que deben tener las empresas que ofrezcan servicios de mantenimiento predictivo.

1.9. El informe tras una inspección predictiva El cliente, en realidad, contrata un servicio de mantenimiento predictivo para obtener un informe que detalle el estado exacto en que se encuentra su equipo. Hay que tener en cuenta que la mayor parte de las técnicas predictivas son técnicas que evalúan la evolución de una máquina, por lo que no es conveniente ni práctico contratar un servicio de inspección predictiva para una sola medida puntual, sino que es conveniente que pueda estudiarse la evolución en el tiempo. Las conclusiones del informe tendrán mayor rigor y validez si analizan esta evolución. Este informe y sus conclusiones deben ser precisos y exactos. No debe contemplar vaguedades o dibujar una situación de forma imprecisa. Un buen informe debería reflejar todos los hallazgos de funcionamiento incorrecto encontrados, sus causas y qué debe hacer el cliente para corregirlo. Así, un mal informe detallaría:

⎯

Que una máquina presenta, por ejemplo, un nivel de vibraciones superior al aceptable

⎯

Que hay que parar la máquina y revisarla

En cambio, un buen informe indicaría lo siguiente:

⎯

Que en un punto determinado, el nivel de vibraciones es alto

⎯

Cuál ha sido la evolución de ese parámetro en las últimas mediciones efectuadas

⎯

Cuales son las posibles causas que pueden provocar esa situación

⎯

A la vista de los datos estudiados, cuál es la causa exacta, de entre las expuestas, que se corresponde con las observaciones y medidas obtenidas, descartando el resto

⎯

Qué debe hacer el cliente para corregirla


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 15 En la medida de lo posible, los informes que presenta una empresa contratista deben ser realizados por un analista experto, y no debe confiarse en los análisis automáticos que hacen determinados equipos, por muy buen software que posea el equipo. Las empresas que carecen de los equipos adecuados, de los analistas experimentados y que entregan informes imprecisos o incorrectos acaban perdiendo sus contratos, y lo que es peor, hacen que la confianza que tengan los clientes y los técnicos en las técnicas de mantenimiento predictivo queden mermadas.

1.10. La importancia de llevar a la práctica las conclusiones de los informes Las técnicas de mantenimiento predictivo, contrariamente a lo que muchos piensan, no mantienen una planta industrial. Sólo señalan una serie de anomalías que es necesario corregir. Por supuesto, si después los hallazgos que se realizan gracias a la aplicación de estas técnicas no se corrigen, no se llevan a la práctica los resultados de los informes, estas técnicas no tienen ninguna utilidad. Esto es obvio, y puede parecer un comentario absurdo y vacío. Pero la realidad demuestra como en muchas ocasiones se contrata un servicio de mantenimiento predictivo o se compran las herramientas y se forma a los especialistas, se realizan las mediciones en los equipos que se van a vigilar y después las conclusiones que se obtienen no se llevan a la práctica. En demasiadas ocasiones se identifica un rodamiento en mal estado, un embarrado con una temperatura excesiva, un defecto en un álabe, un contaminante en un aceite que indica un fallo en un cojinete, etc.: el especialista determina que hay que llevar a cabo una determinada intervención, lo refleja así en su informe y ésta nunca se produce. Si no se tiene intención de llevar a la práctica las conclusiones de los informes, es más interesante no aplicar estas técnicas. Para facilitar la puesta en práctica de las conclusiones es necesario, desde luego:

⎯

Tener la firme voluntad de hacerlo

⎯

Tener confianza en la valoración que realiza el técnico. Por ello, una vez más es necesario destacar que los especialistas que llevan a cabo las mediciones predictivas deben estar muy formados en la técnica que están aplicando, para poder fundamentar sus conclusiones y generar confianza en el responsable de mantenimiento o en quien deba tomar la decisión para realizar una intervención en un equipo

⎯

Realizar informes claros y precisos, sin vaguedades, sin múltiples opciones que puedan ser causantes los mismos efectos (lo que supone que podrían ser diferentes actuaciones las que se proponen, y que por tanto dificulta la decisión a tomar) y bien fundamentados. Así, un informe no podría indicar que un problema de vibraciones puede ser debido a desalineamiento, desequilibrio o excentricidad del eje: debe indicar cuál es el problema y fundamentarlo correctamente. Las técnicas predictivas en sí mismas son inútiles. Sólo tienen utilidad si se aplican las conclusiones que proponen los técnicos que las realizan. Si con ayuda de estas técnicas se detecta un fallo, se propone una intervención y no se realiza, se habrá perdido tiempo y dinero


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TURBINAS DE VAPOR

EN CENTRALES TERMOSOLARES Madrid, 21-22 de Septiembre 2009 Colabora:

Programa de formación termosolar 2009

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ANÁLISIS DE VIBRACIONES

Esta técnica del mantenimiento predictivo se basa en la detección de fallos en equipos rotativos principalmente, a través del estudio de los niveles de vibración. El objetivo final es obtener la representación del espectro de las vibraciones de un equipo en funcionamiento para su posterior análisis. Para aplicarla de forma efectiva y obtener conclusiones representativas y válidas, es necesario conocer determinados datos de la máquina como son la velocidad de giro, el tipo de cojinetes, de correas, número de alabes o de palas, etc., y elegir los puntos adecuados de medida. También es necesario seleccionar el analizador más adecuado a los equipos existentes en la planta. Existen dos técnicas diferentes: 1. Medición de la amplitud de la vibración: Da un valor global del desplazamiento o velocidad de la vibración. Cuando la vibración sobrepasa el valor preestablecido el equipo debe ser revisado. Únicamente informa de que hay un problema en el equipo, sin poderse determinar por esta técnica donde está el problema 2. Análisis del espectro de vibración: La vibración se descompone según su frecuencia. Analizando el nivel de vibración en cada una de las frecuencias se puede determinar la causa de la anomalía. En este caso el equipo se compone de 4 elementos:

⎯ ⎯

Ordenador PC, normalmente portátil, en el que se almacenan las señales

Interface entre el sensor de vibración y el ordenador, o tarjeta de adquisición de datos

⎯

Elemento sensor, que es el captador de la vibración

⎯

Software de análisis, capaz de realizar la descomposición de las señales y su representación gráfica, e incluso en algunos casos y en base a un sistema experto (que acumula la experiencia práctica del análisis de la compañía que lo desarrolla) es capaz de dar un primer diagnóstico del estado de la máquina


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En general, en los equipos rotativos se admite la presencia de algunas componentes de frecuencia en los espectros, siempre que no se observen armónicas o variaciones en el tiempo. Así, siempre es admisible la observación de un pico de vibración a la velocidad de rotación de la máquina (1xRPM) debido a desequilibrio, dado que la distribución de pesos a lo largo del eje de rotación nunca es absolutamente perfecta. También estará siempre presente la frecuencia de engranajes (es decir, si una caja reductora tiene 20 piñones, siempre se detectará un pico de vibración a 20xRPM, 20 veces la velocidad de giro), o la frecuencia de paso de álabes (un ventilador con 8 aspas presentará un pico de vibración a 8xRPM). En el caso de generadores, siempre se detectan picos correspondientes a fenómenos electromagnéticos, que dependen de la frecuencia de la red eléctrica y del número de polos del generador; así, es frecuente observar en estos equipos picos a 1.500 RPM (o 25 Hertzios), 3.000 RPM (50 Hertzios), 6.000 RPM, etc. La presencia de otras componentes de frecuencias como por ejemplo las relacionadas con torbellinos de aceite, frecuencias de paso de bolas de rodamientos, incluso la detección de ruido audible deben constituir motivo de preocupación, y por supuesto deben ser observadas e investigadas de forma sistemática, y una vez analizada la causa que las provoca, debe ser corregida.

Fig. 5 Analizador de vibraciones de la firma HAMMERHEAD.

2.1. Parámetros de las vibraciones Los parámetros que definen la vibración son los siguientes:

⎯

Frecuencia: Es el tiempo necesario para completar un ciclo vibratorio. En los análisis de vibración se usan los CPM (ciclos por segundo) o HZ (hercios).

⎯

Desplazamiento: Es la distancia total que describe el elemento vibrante, desde un extremo


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 19 al otro de su movimiento. Es una cantidad vectorial que describe el cambio de posición de un cuerpo o partícula respecto a un sistema de referencia

⎯

Velocidad. Es un valor relacionado con los parámetros anteriores. Es un vector que especifica la derivada del desplazamiento en el tiempo

⎯

Aceleración. Es un vector que especifica la derivada de la velocidad en el tiempo

⎯

Dirección: Las vibraciones pueden producirse en 3 direcciones lineales y 3 rotacionales

2.2. Principales características de un equipo de análisis de espectro de vibración Algunas de las principales características que hay que comprobar en un equipo de análisis de vibración son las siguientes:

⎯

Posibilidad de utilizar un acelorómetro triaxial

⎯

Posibilidad de uso del equipo para realizar equilibrados

⎯

Duración de la batería

⎯

Tamaño y manejabilidad de la pantalla. Especialmente interesante resulta que la pantalla sea táctil

⎯

Características de la CPU y de la memoria interna

⎯

Frecuencia máxima de muestreo

⎯

Visualización de datos

⎯

Posibilidad de comunicación inalámbrica con la red habitual, o al menos, posibilidad de conexión del equipo en red

⎯

Número de canales de adquisición simultánea de datos

⎯

Resistencia a impactos y caídas

⎯

Tiempo requerido para realizar una medición completa de una máquina con dos apoyos

⎯

Datos que es necesario introducir en el equipo para que realice la medición. Si la cantidad de datos que el equipo solicita para poder realizar una medición es excesiva, puede resultar un inconveniente. Hay que tener en cuenta que en muchas máquinas se carece de una información exhaustiva

⎯

Tiempo de configuración de cada punto de medida

⎯

Software que acompaña al equipo: posibilidad de diagnóstico automático, informes que genera, posibilidad de almacenamiento de datos en mediciones sucesivas, análisis de tendencias, etc.

⎯

Coste del equipo, de los accesorios necesarios y de las licencias de software adicionales

⎯

Posibilidades de equipamiento opcional y su coste


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2.3. Normas de severidad Una guía de referencia para distinguir entre lo que puede entenderse como un funcionamiento normal o admisible de la máquina y un nivel de alerta lo constituyen normas como la ISO 2372. Esta norma proporciona guías para aceptación de la amplitud de vibración para maquinaria rotativa operando desde 600 hasta 12 000 RPM. Específica niveles de velocidad general de vibración en lugar de niveles espectrales, y puede ser muy engañosa. La norma ISO 2372 específica los límites de la velocidad de vibración basándose en la potencia de la máquina y cubre un rango de frecuencias desde 10 Hz (o 600 RPM) hasta 200 Hz (o 12000 RPM). Debido al rango limitado de alta frecuencia, se puede fácilmente dejar pasar problemas de rodamientos con elementos rodantes (rodamientos de bolas, de rodillos, etc.). Esta norma está considerada obsoleta y se espera sea reformulada en breve.

Tabla 1 Normas de severidad de la vibración según ISO 2372

Hay que tener en cuenta que estos niveles de severidad de vibración detallados en la tabla 7.1 están referidos únicamente a vibración por desequilibrio, por lo que sólo son aplicables en lo refe-


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 21 rente a ese fallo. Por ello, es más práctico comparar el espectro de vibración obtenido con el espectro de referencia, es decir, aquel en el que se considera que la máquina funciona correctamente (por ejemplo, el espectro tomado cuando la máquina era nueva). Si el nivel de vibración ha aumentado 2,5 veces respecto a esa referencia, debe ser motivo de alarma, pero no de intervención: habrá que vigilar el comportamiento del equipo. Si la vibración aumenta 10 veces, está será inadmisible y habrá que intervenir. Esta es una norma general cuya validez habrá que comprobar en cada caso particular.

2.4. Fallos detectables por vibraciones en maquinas rotativas Los fallos que pueden detectarse mediante el análisis de vibraciones son los siguientes:

⎯

Desequilibrios. Es el fallo más habitual, y podría decirse que en torno al 40% de los fallos por vibraciones que se detectan en máquinas rotativas se deben a esta causa. Las tablas de severidad que se manejan habitualmente, y que expresan el grado de gravedad de una vibración, se refieren exclusivamente a vibración por desequilibrio. Cuando se presenta una distribución de pesos anormal en torno al eje de rotación se aprecia en la gráfica del análisis espectral una elevación de la velocidad de vibración a la frecuencia equivalente a la velocidad de rotación, como la que se aprecia en la figura adjunta

Fig. 8 Espectro típico de una máquina rotativa desequilibrada, con un solo pico de vibración a 1xrpm Puede verse un único pico de vibración, que corresponde a la velocidad de rotación (la máquina gira a 1.500 RPM, la misma frecuencia a la que presenta el pico). El desequilibrio que se aprecia


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es admisible, teniendo en cuenta la tabla de severidad, pero será necesario observar su evolución. El desequilibrio es un problema resoluble, modificando o reparando los elementos que causan la incorrecta distribución de pesos (falta de algún elemento, distribución de pesos de forma homogénea, eliminación de residuos incrustados en los elementos móviles, deformaciones, roturas, etc.), o añadiendo unas pesas de equilibrado en los puntos adecuados que equilibren esta distribución

⎯

Eje curvado

Es una forma de desequilibrio, pero que en este caso no tiene solución por equilibrado. En este caso, se detecta la primera armónica (1xRPM) y se ve claramente la segunda.

⎯

Desalineamiento

Es una fuente de vibración fácilmente corregible, y causa más del 30% de los problemas de vibración que se detectan en la industria. Es importante alinear los equipos al instalarlos, comprobar la alineación cada cierto tiempo (anualmente, por ejemplo) y realizarla siempre que se intervenga en el equipo. Hay que tener en cuenta que existen ciertas tolerancias al desalineamiento, y que no es necesario que este sea absolutamente perfecto. Cada máquina y cada fabricante suelen aportar la tolerancia en el alineamiento. También es importante tener en cuenta que el hecho de disponer de acoplamientos flexibles no elimina la necesidad de alinear los equipos: la mayoría de los fabricantes recomienda alinear estos acoplamientos con el mismo cuidado y exactitud que si fueran acoplamientos rígidos Las siguientes referencias pueden ser útiles a la hora de estudiar el espectro de vibración:

⎯

Si las tres primeras armónicas son significativas en las mediciones efectuadas en la dirección radial horizontal, es muy posible que el desalineamiento sea del tipo paralelo y esté presente en el plano vertical

⎯

Si las tres primeras armónicas son significativas en las mediciones efectuadas en la dirección radial vertical, es muy posible que el desalineamiento sea del tipo paralelo y esté presente en el plano horizontal

⎯

Si las tres primeras armónicas son significativas en las mediciones efectuadas en la dirección axial, entonces es muy posible que el desalineamiento sea del tipo angular

⎯

Si las tres primeras armónicas son significativas en las tres direcciones (radial horizontal, radial vertical y axial) podemos afirmar que el alineamiento que presenta el equipo es un verdadero desastre.


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 23 Es importante destacar que el nivel de vibración puede ser considerado bajo según la tabla de severidad anterior, pero si están presentes esas tres armónicas posiblemente haya un problema de desalineamiento que puede traducirse en una rotura, independientemente del nivel.

⎯

Problemas electromagnéticos.

Los motores y alternadores, además de todos los problemas asociados al resto de equipos rotativos, son susceptibles de sufrir toda una serie de problemas de origen electromagnético, como son los siguientes: desplazamiento del centro magnético estator respecto del centro del rotor; barras del rotor agrietadas o rotas; cortocircuito o fallos de aislamiento en el enrollado del estator; o deformaciones térmicas. Suelen apreciarse picos a la frecuencia de red (50 o 60 Hz), a la velocidad de rotación (1xRPM) y armónicos proporcionales al número de polos. También es fácil apreciar en los espectros la presencia de bandas laterales que acompañan a la vibración principal. En general, tienen poca amplitud, por lo que suelen pasar desapercibidos. Es necesaria gran experiencia para identificarlos y no confundirlos con otros problemas, como desalineamiento, desequilibrio, etc.

⎯

Problemas de sujeción a bancada

Es otro de los problemas habituales en máquinas rotativas. Puede manifestarse como mala sujeción general a la bancada, o como es más habitual, con uno de sus apoyos mal fijado. En este caso, se denomina ‘pedestal cojo’, y es un problema más frecuente de lo que pudiera parecer. Se identifica en general por presentar altos niveles de vibración en la primera y segunda armónica de la frecuencia de rotación (1XRPM y 2XRPM). Es curioso que, cuando se presenta el problema, aflojando uno de los apoyos la vibración DISMINUYE, en vez de aumentar. Ese suele ser uno de los principales indicativos de la presencia de este problema.

⎯

Holguras excesivas

En ocasiones las tolerancias de holgura en la unión de elementos mecánicos de la máquina ha sido excedida, o sencillamente, se han aflojado debido a la dinámica de operación de la máquina. Presenta las mismas frecuencias de vibración que el desalineamiento o el desequilibrio, pero cuando se intenta alinear o equilibrar la máquina se observa que los niveles de vibración no disminuyen.

⎯

Mal estado de rodamientos y cojinetes

Los fallos en rodamientos y cojinetes se detectan en general a frecuencias altas, por lo que son fácilmente identificables observando las vibraciones en el rango alto, es decir, a frecuencias elevadas (20xRPM o más). Para su análisis es conveniente tener en cuenta en número de elementos rodantes, el tipo (bolas, rodillos), etc.


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⎯

Torbellinos de aceite.

Es un problema curioso y de fácil detección por análisis. Tienen su origen en una mala lubricación, que hace que la capa de lubricante varíe en espesor en el cojinete o rodamiento, dando lugar a una vibración que en general se sitúa por debajo de la frecuencia de giro de la máquina, y que suele aparecer típicamente a 0,5xRPM. Es muy frecuente que el fallo en la lubricación tenga dos orígenes:

• Alto contenido de agua en el aceite. Es sencillo comprobarlo, pues cuando este problema ocurre el contenido en agua suele ser especialmente alto, por encima de 10%

• Mal estado de cojinetes, que provocan irregularidades en la capa de lubricante ⎯

Resonancia.

La resonancia está relacionada con la velocidad crítica y la frecuencia natural de la máquina. A esa frecuencia, que es diferente para cada equipo, las vibraciones se ven amplificadas de 10 a 30 veces. En general, los fabricantes de máquinas rotativas garantizan que la velocidad crítica de sus rotores sea suficientemente diferente de la velocidad de operación de éstos, por lo que es difícil encontrar un problema de velocidad crítica en una máquina correctamente diseñada.

2.5. Los sistemas expertos Determinados fabricantes de equipos de análisis han desarrollado programas informáticos capaces de interpretar automáticamente los espectros de vibración. Están basados en la experiencia de los técnicos y programadores, y resultan de gran ayuda. Permiten, por ejemplo, que técnicos con un nivel de formación medio o bajo puedan enfrentarse a la tarea del análisis de vibraciones en poco tiempo. No obstante, siempre es conveniente contrastar el resultado obtenido por el equipo con el de un buen analista.

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TERMOGRAFÍA

3.1. La termografía como técnica predictiva Junto con el análisis de vibraciones detallado en el punto anterior, las técnicas termográficas son las estrellas del mantenimiento predictivo. Las inspecciones termográficas se basan en que todo equipo y/o elemento emite energía desde su superficie. Esta energía se emite en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz a través del aire o por cualquier otro medio de conducción. La termografía infrarroja es la técnica de producir una imagen visible a partir de radiación infrarroja invisible para el ojo humano, emitida por objetos de acuerdo a su temperatura superficial. La cámara termográfica, como la mostrada en la figura 7.9, es la herramienta que realiza esta transformación.

Figura 7.9 Cámaras termográfica Flir. Cortesía de Álava Ingenieros


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La cantidad de energía está en relación directa con su temperatura. Cuanto más caliente está el objeto, mayor cantidad de energía emite, y menor longitud de onda tiene esa energía. En general, esa emisión se hace en longitudes de onda mayor que la correspondiente al color rojo, que es la mayor que es capaz de captar el ojo humano. El espectro de emisión, es pues, infrarrojo y por tanto invisible. La cámara termográfica permite “ver” esa energía, transformándola en imágenes visibles. La imagen producida por una cámara infrarroja es llamada termografía o termograma. Esta técnica, de haber sido asociada a costosas aplicaciones militares y científicas, se ha convertido en una técnica común y con una gran cantidad de aplicaciones industriales. A través de imágenes térmicas es posible "observar" el escape de energía de una tubería o edificio, detectar e impedir el fallo de un circuito eléctrico o de un rodamiento. La termografía permite detectar, sin contacto físico con el elemento bajo análisis, cualquier falla que se manifieste en un cambio de la temperatura, midiendo los niveles de radiación dentro del espectro infrarrojo. En general, un fallo electromecánico antes de producirse se manifiesta generando e intercambiando calor. Este calor se traduce habitualmente en una elevación de temperatura que puede ser súbita, pero, por lo general y dependiendo del objeto, se presenta de forma gradual, manifestando pequeñas variaciones con el tiempo. Si es posible detectar, comparar y determinar dicha variación, entonces se pueden detectar fallos que comienzan a gestarse y que pueden producir en el futuro cercano o a mediano plazo una parada de planta y/o un siniestro afectando personas e instalaciones. Esto permite la reducción de los tiempos de parada al minimizar la probabilidad de paradas imprevistas, no programadas, gracias a su aporte en cuanto a la planificación de las reparaciones y del mantenimiento. El descubridor de la radiación infrarroja fue Sir Frederick William Hershel, nacido en Alemania 1738, quien se interesó en verificar cuanto calor pasaba por filtros de diferentes colores al ser observados al sol. Sir Willian pudo determinar que los filtros de diferentes colores dejaban pasar diferente nivel de calor. Posteriormente hizo pasar luz del sol por un prisma de vidrio y con esto se formó un espectro (el arco iris). Llevando un control de la temperatura en los diferentes colores del espectro encontró que más allá del rojo, fuera de la radiación visible, la temperatura es más elevada y que esta radiación se comporta de la misma manera desde el punto de vista de refracción, reflexión, absorción y transmisión que la luz visible. Era la primera vez que se demostraba que había una radiación invisible al ojo humano.

3.2. Principales características de una cámara termográfica Cuando se comparan cámaras termográficas entre sí para decidir cual es la mejor opción desde un punto de vista técnico, los parámetros que suelen compararse son los siguientes:

⎯

Resolución, o número de puntos de medida (pixel)

⎯

Tamaño de la pantalla


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⎯

Rango de temperaturas que es capaz de medir

⎯

Capacidad de diferenciación de cada incremento de temperatura

⎯

Distancia hasta la que es capaz de medir sobre un equipo. Hay que tener en cuenta que en ocasiones es necesario tomar las medidas a cierta distancia del objeto

⎯

Duración de la batería, por si es necesario realizar muchas mediciones en una sola sesión

⎯

Software que acompaña a la cámara

⎯

Capacidad de almacenamiento y tipo de soporte en que lo almacena (memorias extraíbles, memoria interna en disco duro, etc.)

⎯

Posibilidad de obtención simultánea de imágenes ópticas normales, para poder superponer la imagen termográfica y la óptica, lo que facilita la identificación de los puntos medidos y de los problemas encontrados

⎯

Tamaño, maniobrabilidad de la cámara y resistencia a caídas

3.3. Aplicaciones de la termografía Las termografías pueden ser aplicadas en cualquier situación donde un problema o condición pueda ser visualizado por medio de una diferencia de temperatura. Una termografía puede tener aplicación en cualquier área siempre y cuando esta tenga que ver con variación de temperatura. Los puntos de aplicación más importantes de una termografía son los siguientes:

⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯

Inspección de la subestación eléctrica Inspección de transformadores Inspección de las líneas eléctricas de alta tensión Inspección de embarrados y de cabinas de control de motores (CCM) Localización de fallas internas laminares en el núcleo del estator del alternador Inspección del estado de los equipos de excitación del alternador Inspección del estado de escobillas, en motores y en alternador Inspección de motores eléctricos en el sistema de refrigeración, de alimentación de caldera y sistema compresión de gas (rodamientos, cojinetes, acoplamientos y alineación

⎯ Inspección de tuberías del ciclo agua-vapor de caldera, para comprobar daños o defectos de aislamiento

⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯

Inspección del aislamiento del cuerpo de la caldera Inspección de intercambiadores de calor Inspección del condensador Inspección de trampas de vapor Detección de fugas de gas


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OTRAS TÉCNICAS PREDICTIVAS

4.1. Inspecciones boroscópicas Las inspecciones boroscópicas son inspecciones visuales en lugares inaccesibles para el ojo humano con la ayuda de un equipo óptico, el boroscopio. Se desarrolló en el área industrial a raíz del éxito de las endoscopias en humanos y animales.

Fig. 10 Boroscopio de la firma MACHIDA, distribuido por Álava Ingenieros El boroscopio, también llamado videoscopio o videoboroscopio, es un dispositivo largo y delgado en forma de varilla flexible. En el interior de este tubo hay un sistema telescópico con numerosas lentes, que aportan una gran definición a la imagen. Además, está equipado con una poderosa fuente de luz. Un ejemplo puede verse en las figuras 10 y 11.


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Fig. 11 Boroscopio XLG3 de la firma Videoprobe La imagen resultante puede verse en la lente principal del aparato, en un monitor, o ser registrada en un videograbador para su análisis posterior. El boroscopio es sin duda otra de las herramientas imprescindibles para acometer trabajos de inspección en las partes internas de determinadas máquinas sin realizar grandes desmontajes. Así, se utiliza ampliamente para la observación de las partes internas de motores térmicos (motores alternativos de combustión interna, turbinas de gas y turbinas de vapor), y para observar determinadas partes de calderas, como haces tubulares o domos. Se usa no sólo en tareas de mantenimiento predictivo rutinario, sino también en auditorias técnicas, para determinar el estado interno del equipo ante una operación de compra, de evaluación de una empresa contratista o del estado de una instalación para acometer una ampliación o renovar equipos. Entre las ventajas de este tipo de inspecciones están la facilidad para llevarla a cabo sin apenas tener que desmontar nada y la posibilidad de guardar las imágenes, para su consulta posterior.

4.2. Inspecciones por ultrasonidos 4.2.1. El empleo de ultrasonidos para localizar fallas El análisis por ultrasonido estudia las ondas de sonido de alta frecuencia producidas por determinados equipos e instalaciones y que no son audibles por estar fuera del rango de captación del oído humano (20 a 20000 Hz). El análisis y la detección de estos sonidos de alta frecuencia permiten, entre otras cosas:

⎯

Detección de fricción en maquinas rotativas.

⎯

Detección de fallas y/o fugas en válvulas.

⎯

Detección de fugas de fluidos.

⎯

Detección de pérdidas de vacío.

⎯

Detección de "arco eléctrico".

⎯

Verificación de la integridad de juntas de recintos estancos.


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Fig. 12 Equipo de inspección por ultrasonidos Esta tecnología se basa en que casi todas las fricciones mecánicas, arcos eléctricos y fugas de presión o vacío producen ultrasonido en frecuencias cercanas a los 40.000 Hertz, y de unas características que lo hacen muy interesante para su aplicación en mantenimiento predictivo: las ondas sonoras son de corta longitud atenuándose rápidamente sin producir rebotes. Por esta razón, el ruido ambiental por más intenso que sea, no interfiere en la detección del ultrasonido. Además, la alta direccionalidad del ultrasonido en 40 Khz. permite con rapidez y precisión la ubicación del fallo. La aplicación del análisis por ultrasonido se hace indispensable especialmente en la detección de fallas existentes en equipos rotativos que giran a velocidades inferiores a las 300 RPM, donde la técnica de medición de vibraciones es un procedimiento poco eficiente.

Fig. 13 Medidor de ultrasonido. Cortesía de Sonatest


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4.2.2. Características más importantes del medidor de ultrasonidos Entre las características más importantes que hay que tener en cuenta a la hora de elegir un medidor de ultrasonidos están las siguientes:

⎯

Capacidad para variar la frecuencia de captación. No todos los equipos pueden variar la frecuencia

⎯

Que tenga los accesorios necesarios para poder realizar las medidas que se necesitan (direccionadores, diversos tipos de captadores, auriculares, etc.)

⎯

Que la pantalla del equipo sea clara e indique en dB la intensidad del sonido captado

⎯

Que el software que acompaña al equipo permita investigar el fallo y realizar informes.

4.3. Análisis de aceite El análisis de aceites de lubricación, técnica aplicable a trafos y a equipos rotativos, suministra numerosa información utilizable para diagnosticar el desgaste interno del equipo, el estado del lubricante y el ambiente en el que trabaja la máquina, según puede verse en la figura 14.

Fig. 14 Las tres informaciones que proporciona el análisis de aceite


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 33 En general se aplica a los siguientes equipos:

⎯

Motores de combustión interna: grupos electrógenos, motogeneradores, motores de gasoil del sistema contraincendios, etc.

⎯

Turbina de gas y de vapor

⎯

Reductores o multiplicadores de gran tamaño

⎯

Sistemas hidráulicos

⎯

Alternadores

⎯

Transformadores

⎯

Bombas de gran tamaño

⎯

Reductores de ventiladores

El estado del equipo se determina estableciendo el grado de contaminación del aceite debido a la presencia de partículas de desgaste o sustancias ajenas a este. El estado del aceite se determina comprobando la contaminación del aceite y la degradación que ha sufrido, es decir, la pérdida de capacidad de lubricar causada por una variación de sus propiedades físicas y químicas y sobre todo, las de sus aditivos. La contaminación del aceite se puede determinar cuantificando en una muestra del lubricante, el contenido de partículas metálicas, agua, materias carbonosas y partículas insolubles. La degradación se puede evaluar midiendo la viscosidad, la detergencia, la acidez y la constante dieléctrica Es conveniente indicar que la contaminación y la degradación no son fenómenos independientes, ya que la contaminación es causante de degradación y esta última puede propiciar un aumento de la contaminación

4.3.1. Análisis de partículas de desgaste Las técnicas que se utilizan actualmente para identificar y cuantificar el contenido de partículas de desgaste son principalmente la espectrometría de emisión, la espectrometría de absorción y la ferrografía, aunque también existen una serie de técnicas complementarias, como son el contaje de partículas y la inspección microscópica. La espectrometría de emisión resulta muy útil, pues en menos de un minuto se analizan muchos elementos distintos. Se basa en que los átomos, al ser excitados, emiten una radiación cuyas longitudes de onda son función de su configuración electrónica. Por ello, cada elemento emite unas longitudes de onda características diferentes, y es posible identificar esos elementos a partir del análisis del espectro de emisión. El resultado del análisis es la concentración en ppm (partes por millón) o incluso ppb (partes por billón) de los diferentes metales presentes en una muestra de aceite usado. La espectrometría de absorción es una técnica más laboriosa, pues necesita un análisis por cada


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elemento. Se basa en la que la cantidad de luz absorbida de una longitud de onda concreta por un átomo determinado es proporcional a la concentración de ese átomo. La ferrografía es la más compleja de las tres técnicas y requiere de grandes conocimientos y experiencia para aprovechar todas sus posibilidades y toda la información que brinda. La muestra a analizar se diluye y se pasa por un cristal inclinado, que tiene un tratamiento superficial específico y está sometido a un fuerte campo magnético. Las fuerzas magnéticas retienen las partículas en el cristal, y se alinean en tiras. Las partículas se distribuyen por tamaños, de manera que las más grandes quedan junto al borde superior y las más pequeñas en la parte inferior. Las partículas poco magnéticas no se alinean en tiras, sino que se depositan al azar a lo largo del ferrograma permitiendo una rápida distinción entre partículas férreas y no férreas. Calentando el ferrograma se puede distinguir entre fundición de hierro, acero de alta y baja aleación, diferentes metales no ferrosos y materiales orgánicos e inorgánicos. El contaje de partículas aporta información sobre la distribución de los distintos elementos presentes en la muestra de aceite por tamaños. La muestra pasa lentamente a través de un sensor donde las partículas contenidas son iluminadas por un rayo láser que produce en un fotodiodo un pico de corriente de altura proporcional al tamaño de la partícula; un sistema electrónico separa las señales en categorías. La microscopía es la inspección con un microscopio de las partículas recogidas en colectores magnéticos, depósitos de aceite o filtros; es una técnica lenta pero relativamente económica. Una vez determinado el contenido de partículas de desgaste, es necesario conocer su origen, para identificar dónde hay un problema potencial. La tabla 7.2 puede servir de referencia en la búsqueda del origen de esas partículas. TABLA 7.1 Contaminantes del aceite. Partículas de desgaste

Metal detectado Aluminio

Origen de la contaminación Cojinetes

Bario

Fugas de refrigerante, aditivo detergente

Boro

Polvo atmosférico, fugas de refrigerante

Calcio

Aditivo dispersante

Cobre

Cojinetes de bronce, tuberías, depósitos

Estaño

Cojinetes de bronce

Hierro

Mecanismos de distribución, tuberías y engra‐ najes Engranajes

Níquel Silicio Sodio

Aire atmosférico, aditivo antiespumante, aguas de alimentación Fugas de refrigerante

Zinc

Cojinetes de latón, aditivo antioxidante


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4.3.2. Análisis de otros contaminantes Los contaminantes que se suelen analizar son el contenido en agua y la presencia de sustancias insolubles. El agua en el aceite normalmente tiene dos orígenes. Puede, en primer lugar, proceder del sistema de refrigeración, por fugas en los intercambiadores; pero también puede provenir de contacto directo entre el vapor y el aceite, por defectos en los sellos de vapor o por fallos en válvulas. Por regla general puede decirse que el contenido de humedad del aceite no debe superar un 0.5%. El método más sencillo para detectarlo es el llamado de crepitación, que consiste en dejar caer una gota sobre una plancha metálica a 200 ºC y escuchar si se produce el ruido característico de la crepitación. La intensidad del ruido es indicativa de la cantidad de agua contaminante. Hay otros métodos rápidos de detección como el polvo Hidrokit y el papel Watesmo, utilizados por los mini laboratorios contenidos en maletas portátiles. En grandes laboratorios se utiliza el método del reactivo Karl Fischer que permite detectar concentraciones muy pequeñas. La presencia de insolubles en el aceite es principalmente síntoma de degradación por oxidación, principalmente por temperatura excesiva. Como norma general, puede establecerse que el contenido en insolubles no debe sobrepasar el 3%. Para su determinación, se deposita una gota de aceite usado sobre un papel de filtro de alta porosidad, y se observar al cabo de varias horas. La mancha que se forma presenta tres zonas concéntricas:

⎯

Una zona planta oscura, por el alto contenido en carbón y rodeada de una aureola donde se depositan las partículas más pesadas.

⎯

La zona intermedia o de difusión, más o menos oscura, que con su extensión indica el poder dispersante del aceite.

⎯

La zona exterior o translúcida, que no tiene materias carbonosas y es donde llegan las fracciones más volátiles del aceite. Una extensión exagerada puede deberse a la presencia de combustible auxiliar (gasoil, fuel, etc.).

Para cada aceite se recomienda hacer dos manchas, una a 20 ºC y otra a 200 ºC, comprobando el estado del aceite (dispersividad y detergencia) en ambas condiciones.

4.3.3 Análisis de las propiedades del aceite Las propiedades que se analizan son la viscosidad (principal característica de un lubricante), detergencia, acidez y constante dieléctrica La determinación de la viscosidad se hace midiendo el tiempo que tarda una bola en caer de un extremo a otro de un tubo lleno de aceite y convertirlo a unidades de viscosidad con la ayuda de un gráfico (viscosímetro de bolas) La viscosidad de un aceite usado puede aumentar debido a su degradación (insolubles, agua, oxidación) o puede disminuir por dilución con un combustible líquido. Se considera que un aceite ha superado su límite de variación de la viscosidad si


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a 100ºC ésta ha variado más de un 30%. El método más utilizado para la evaluación de la detergencia (capacidad para limpiar y disolver suciedad en el circuito hidráulico) es el de la mancha de aceite vista en el apartado anterior, por su rapidez y sencillez. Cuando un lubricante posee una buena detergencia la zona de difusión de la mancha es bastante extensa, y va disminuyendo a medida que pierde su poder detergente, desapareciendo cuando la detergencia está por agotarse. La acidez no puede determinarse en campo o con métodos sencillos. Se evalúa con el número de basicidad total (TBN) y se determina según las ASTM D664 Y D2896; la primera usa el método de dosificación potenciométrica de ácido clorhídrico y la segunda el de dosificación potenciométrica de ácido perclórico. La basicidad del aceite permite neutralizar los productos ácidos que se forman en el circuito y que pueden atacar las piezas lubricadas. Por esta razón la pérdida de reserva alcalina es uno de los síntomas más utilizados para determinar la degradación del aceite y el periodo de cambio óptimo; en ningún caso el TBN de un aceite usado puede ser menor del 50% del correspondiente al aceite nuevo. La determinación de la constante dieléctrica es muy importante, pues representa la capacidad aislante del aceite y es una medida de la magnitud de la degradación del aceite usado. Existen en el comercio equipos portátiles destinados al uso en taller y que utilizan la medición, con sensores capacitivos, de la variación de la constante dieléctrica del aceite usado con respecto al aceite nuevo.

4.3.4. Análisis de aceite en transformadores El aceite en un transformador tiene como principales funciones el aislamiento dieléctrico y la evacuación de calor del núcleo del bobinado. La capacidad aislante de un aceite se ve afectada por muchos factores, que actúan solos o en conjunto, y muchas veces unos son catalizadores de los otros. Los catalizadores más importantes del proceso de oxidación son el hierro y el cobre. Hay una serie de factores también influyen en ese proceso oxidativo del aceite: la humedad, el calor, la tensión eléctrica, y la vibración. Si el transformador no es llenado al vacío y sellado con respecto a la atmósfera, se necesitan inhibidores a la oxidación. Estos inhibidores pueden estar presentes en el aceite ya sea desde su fabricación o agregados posteriormente. Estos inhibidores son los llamados BHT / DBPC y son agregados al aceite a razón del 0,3% ppm. Es importante destacar que los inhibidores no tienen eficacia cuando el proceso de oxidación ha comenzado, por lo que el aceite tiene que ser inhibido, cuando no hay presencia de compuestos óxidos en el aceite.

⎯

Los ensayos fisicoquímicos que se realizan en el aceite son los siguientes:

⎯

Acidez, medida de acuerdo a la cantidad de hidróxido de potasio que es necesario para neutralizar los compuestos ácidos en una muestra de aceite.

⎯

TIF, indica la presencia de compuestos polares disueltos en el aceite con mucha sensibilidad.


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⎯

Rigidez dieléctrica. Es medida en una celda entre dos electrodos, y mide en kilovoltios la capacidad de resistir la descarga disruptiva en el medio aceitoso.

⎯

Color, medido con un colorímetro ubica la muestra en una escala preestablecida. El cambio de color es más importante que el color mismo. Por ello, es necesario comparar el aceite analizado con un aceite de las mismas características sin usar.

⎯

Gravedad específica, o densidad relativa medida a 15° C.

⎯

Visual. Con esta inspección el aceite puede diferenciarse en nublado, claro, brillante, refulgente, etc.

⎯

Sedimentos. Es también una inspección visual, y para ser aceptable no debería detectarse ningún tipo de sedimento.

⎯

Contenido de inhibidor. En aceites aditivados con productos inhibidores de humedad como el BHT o el DBPC, este ensayo determina el porcentaje de inhibidor que contiene. Cuando el inhibidor comienza a agotarse, el proceso de oxidación puede comenzar, y las características dieléctricas del aceite pueden verse alteradas.

⎯

Factor de Potencia, o tangente delta mide las corrientes de fuga a través de los contaminantes en suspensión en el aceite. Se mide a 25°C y a 100 °C. Es uno de los ensayos más importantes puesto que es capaz de detectar leves contaminaciones de compuestos polares.

⎯

Humedad, mide el agua presente en el aceite, que puede estar en suspensión, solución, o emulsión. La humedad también es responsable de la variación de la capacidad aislante

⎯

Cromatografía gaseosa. La cromatografía gaseosa es una herramienta muy valiosa en el mantenimiento predictivo, puesto que con una correcta evaluación de los gases presentes en el aceite puede diagnosticarse con cierta precisión lo que puede estar pasando dentro del transformador. Pueden deducirse a partir de los datos de una cromatografía la presencia de puntos calientes, efecto corona, arcos de alta o baja energía, etc.

⎯

Presencia de metales. Con este ensayo se determina la presencia de aluminio, hierro y cobre disueltos en el aceite, generalmente por Absorción Atómica. De acuerdo al resultado del ensayo se puede comprobar qué parte del transformador está dañada. Si es el núcleo se destacará el hierro, y si es el bobinado se destacará el cobre, o el aluminio.

⎯

Análisis de PCB. El PCB o Bifenilo policlorado es una sustancia utilizada como refrigerante, que ha resultado ser un poderoso cancerígeno y que figura entre los 12 contaminantes más poderosos. Es necesario realizar el análisis de PCB en aceites de los que se desconozca su procedencia o en aquellos que se sepa que han sido contaminados con este producto. El valor límite aceptable de contaminación por PCB es de 50 PPM. Por encima de este límite el aceite debe ser destruido por su impacto ambiental.

Cuando se ha llegado a un punto donde el aceite se encuentra fuera de sus especificaciones, y en consecuencia deja de cumplir sus funciones con eficacia es necesario iniciar el tratamiento de regeneración que le devuelva al aceite todos sus parámetros originales, extendiendo así la vida del transformador.


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4.3.5. La contratación de análisis de aceite. La gratuidad del servicio y sus consecuencias El servicio de análisis de aceite rara vez se realiza en la planta, prefiriéndose contar con un laboratorio especializado del que no es fácil disponer en una planta industrial. Incluso las centrales eléctricas y las industrias químicas, que sí disponen de laboratorios perfectamente equipados para este fin, prefieren realizar de forma externa los análisis, contando para ello con el servicio técnico del suministrador del aceite. La razón es clara: además de que el suministrador del servicio es un especialista, realiza estos análisis de forma gratuita, ya que es un complemento del suministro de aceite. Existen desde luego laboratorios no vinculados a suministradores de aceite, y empresas que asesoran en lubricación que también prestan este servicio por un coste razonable, pero la gran mayoría de las plantas cuentan con el servicio técnico de su suministrador de aceite para realizar los análisis. La gratuidad del servicio y las facilidades de todo tipo que proporciona el suministrador por estos análisis que realiza sin coste aparente tienen una consecuencia: el cliente no valora este servicio. Y esa falta de valoración se ve en varias fases del proceso. En primer lugar, se aprecia en la toma de muestras. En general, puede afirmarse que la toma de muestra se realiza con poco interés y con poco criterio. No se toman en el punto adecuado, no se toman de la misma forma siguiendo un procedimiento establecido y bien estudiado, y así la mayor parte de las veces la muestra no es representativa ni sus resultados son fiables. Un ejemplo puede ser una toma de muestra de un tanque hidráulico: la concentración de determinadas partículas y la presencia de agua será diferente si la muestra es tomada en la superficie o en el fondo. Como puede verse en la figura 7.15, no será lo mismo tomar una muestra en el fondo del tanque, a la salida del filtro de impulsión o en el retorno.

Fig. 7.15 La toma de muestra es fundamental para la validez de los resultados de la inspección Así, dos muestras del mismo aceite tomadas por dos operadores distintos pueden arrojar resultados completamente diferentes, uno de ellos aconsejando su sustitución inmediata y otro determinando que el aceite está en perfecto estado de uso. Por otro lado, los recipientes de toma de muestra o incluso el útil para extraer el aceite de la máquina pueden contaminar la muestra. En


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MANTENIMIENTO PREDICTIVO 39 esas condiciones, no es posible otorgar ninguna fiabilidad a las conclusiones que se extraen del análisis. En segundo lugar, junto con la muestra debe acompañarse una serie de información. En general la información que debe adjuntarse y sin la cual el laboratorio no puede emitir un informe preciso y útil es la siguiente:

⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯

Marca y tipo de Aceite Viscosidad del aceite y otros datos del aceite nuevo Información general sobre la máquina o equipo Última vez que se relleno, y cantidad rellenada Horas de Operación desde la última muestra Fecha del cambio o información del cambio Cambios en las prácticas de filtración

Cambios en las condiciones de operación Como el servicio es gratuito, o tiene un coste muy bajo, se sobreentiende que los recursos a destinar son bajos. Como preparar esta información supone algún esfuerzo y el servicio gratuito no se valora, los responsables de mantenimiento prestan poca atención a adjuntar la información necesaria El laboratorio responsable de los análisis trabaja a ciegas. En esas condiciones debe emitir un informe que aporte información útil. Si además de que la toma de muestra ya no es adecuada en la mayoría de los casos, y no se acompaña de información esencial que permita interpretar los resultados, además el analista debe suponer o sugerir unos límites de fallo. No todas las máquinas son iguales, ni están construidas con los mismos elementos ni trabajan de la misma forma, por lo que tratar de aplicar una serie de reglas sencillas y estándar en la mayoría de los casos no es sencillo. Hay que conocer los equipos para poder interpretar mejor los resultados. Por eso es tan importante la evolución de un valor a la hora de la interpretación de resultados. Y no todos los laboratorios cuidan de igual forma este aspecto. Por tanto, puede afirmarse que la gratuidad del servicio, que debería propiciar el uso y difusión de esta técnica, provoca que no se valore adecuadamente la técnica y que no se preste ningún cuidado a la toma de muestra y a la información que debe acompañar a ésta; por tanto, el analista no puede ni fijar unos límites claros ni interpretar adecuadamente los resultados. Puede afirmarse que las facilidades dadas por los suministradores de aceite ha perjudicado a esta técnica predictiva y a la validez de los resultados.

4.4. Análisis de gases de escape 4.4.1. El analizador de gases de escape El analizador de gases es el instrumento que se utiliza para determinar la composición de los gases de escape en calderas y en motores térmicos de combustión interna. Un ejemplo de analizador puede verse en la figura 16. Fig. 7.16 Analizador de gases portátil


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Consta básicamente de un elemento sensor que puede llevar integrada la medición de varios gases o uno sólo, y un módulo de análisis de resultado, donde el instrumento interpreta y muestra los resultados de la medición. El equipo es capaz de medir la concentración en los gases de escape de un número determinado de compuestos gaseosos. Los que se miden habitualmente son los que se detallan en la tabla 7.3 TABLA 7.3 Compuestos y parámetros que se miden en los gases de escape

LISTA DE PARÁMETROS A CONTROLAR CH4 O2 N2 CO NO, NO2, NO3 CO2 SO2, SO3 H2O Temperatura de gases de escape Opacidad de los humos Partículas sólidas

4.4.2. Utilidad del control de los gases de escape La concentración de esas sustancias en los gases de escape se mide con dos finalidades, igualmente importantes:

⎯

Asegurar el cumplimiento de los condicionantes ambientales del motor, en base a los permisos y normativas legales que deba cumplir la planta

⎯

Asegurar el buen funcionamiento de caldera, el motor o la turbina

El primero de esos objetivos parece claro. La planta en la que está instalado el equipo de combustión debe cumplir una serie de normas, y para asegurarlo, las propias normas establecen la periodicidad con la que deben medirse determinados gases. En cuanto al segundo, la composición de los gases revelará la calidad del combustible, el estado del motor y el correcto ajuste de determinados parámetros, como la regulación de la mezcla de admisión, la relación de compresión y la eficacia de la combustión. La tabla 7.4 detalla los problemas que se pueden diagnosticar si se detectan concentraciones anormales de los gases analizados.


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Tabla 7.4 Diagnóstico de fallos en equipos de combustión

Parámetro anormal detectado CO2

H2 O

Causa principal

Otras causas

Proporción de combustible mayor que la estequiométrica (mezcla rica) El agua de refrigeración está pasan‐ do a la cámara de combustión

Alta concentración de CO2 en el combustible

N2

Mezcla demasiado pobre

NO, NO2 CH4

Temperatura en cámaras de com‐ bustión y/o quemadores muy alta Mezcla rica

CO

Mezcla muy pobre Mezcla rica

SO2, SO3 O2 Temperatura de gases alta

Temperatura de gases baja

Combustible con alto contenido en azufre (muy poco habitual) Combustión realizada con aire en exceso (mezcla muy pobre) Relación de compresión muy alta. Posibles detonaciones en el motor Mezcla pobre. Combustión incom‐ pleta. Pérdida de potencia

Alta concentración de agua en el combustible Alto contenido de H2 en el combus‐ tible Alta concentración en el combusti‐ ble Combustión incompleta por fallos en el encendido Combustión incompleta por fallos en el encendido Composición del gas natural rico en compuestos con más de dos áto‐ mos de carbono (C2 y C2+)

Es recomendable que el plan de mantenimiento de un equipo de combustión o de un motor térmico contemple análisis periódicos de los gases de escape, siendo aconsejable que se realicen con una frecuencia inferior a tres meses.

4.4.3. La contratación del servicio de control de gases de escape

El servicio de análisis de los gases de escape se contrata a empresas especializadas por una de estas dos razones:

⎯ Cuando no se dispone del equipo necesario. Esta razón cada vez es menos frecuente, por el paulatino abaratamiento de los equipos

⎯ Cuando por exigencia legal se precisa que la medición esté realizada por una empresa certificada, y que realiza no sólo la medición, sino que da fe a la administración de la validez de la medida. Lo más habitual es contratar el servicio puntual, es decir, se paga y se contrata cuando se requiere. Suele ser el propietario o el contratista principal de mantenimiento el responsable de solicitar el servicio y de llevar el control adecuado sobre su periodicidad, para cumplir al menos las exigencias legales. Menos frecuente es establecer contratos de larga duración con la empresa a la que se encarga la realización del servicio. Cuando se hace así, también se incluye en el contrato el control sobre la


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