¿Qué involucra el mantenimiento del chorro de agua con abrasivo?

Conocer un chorro de agua—desde la cabeza de corte hasta la bomba—le da a un fabricante la idea de cuánto cuesta operarlo

August 14, 2009

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Este artículo se adaptó de "Maintenance Components for an Abrasive Waterjet," presentado en la FABTECH® International & AWS Welding Show, del 6 al 8 de octubre del 2008 en Las Vegas, por la Fabricators & Manufacturers Association Intl., Society of Manufacturing Engineers, y la American Welding Society.

Los usuarios finales de máquinas de corte por chorro de agua a veces subestiman el mantenimiento que implican las nuevas máquinas. Un tiempo improductivo inesperado por manteni­miento puede resultar en una recuperación más lenta de la inversión.

Para seguir siendo rentables, los propie­tarios deben poder considerar costos aso­ciados con el mantenimiento. Estas cuestiones de mantenimiento cubren puntos como la cabeza de corte, el aparato de alimentación del abrasivo, las válvulas neumáticas, las líneas de suministro de alta presión y la bomba.

El Panorama del Enorme Costo

Las máquinas de chorro de agua con abrasivo son susceptibles a autodestruirse. Combine 50,000 libras por pulgada cuadrada (PSI) de presión de agua con abrasivo, y cualquier parte del sistema que entre en contacto con alguno de estos elementos—o con ambos—necesitará ser reemplazada en algún punto.

El costo típico de operar un chorro de agua, incluyendo el costo de la máquina, el operador, y gastos generales, puede andar en alrededor de $85 por hora (vea la Figura 1). Si un operador no tiene cuidado de cómo se hace el mantenimiento, ese costo por hora puede aumentar en un 10 por ciento o más (vea la Figura 2) debido al aumento en el uso de consumibles y el tiempo improductivo para reparar o reemplazar los componentes. Dependiendo de las condiciones del mercado, este aumento en el costo puede obstaculizar seria­mente las ganancias de los usuarios finales.

Esta lista de puntos de manteni-miento puede ayudar a los fabricantes a entender mejor a sus máquinas de chorro de agua, y a conocer dónde están las mejores oportunidades para mantener razonables los costos de operación y el tiempo improductivo al mínimo.

Verifique la Calidad del Agua

Si los fabricantes se preocupan por la calidad del agua en sus casas, deben preocuparse especialmente de la calidad del agua para sus chorros de agua en sus talleres. Éste es quizás el mayor factor que controla los costos de los consumibles. El agua dura puede acortar la vida esperada de los componentes consumibles al menos a la mitad.

Antes de comprar un chorro de agua, el fabricante debe analizar el agua de entrada. Es imperativo que la calidad del agua cumpla con las especificaciones del fabricante del chorro de agua si es que se va a operar como fue diseñado. La mayoría de los fabricantes de bombas quieren ver menos de 100 partes por millón (PPM) de sólidos totales disueltos (TDS), una medida que rastrea la cantidad de sólidos inorgánicos disueltos en el agua y que contribuyen a la dureza tales como el calcio y el magnesio. Menos de 10 PPM de TDS también puede crear problemas, pues el agua realmente filtrará material de cualquier componente que toque.

Si el agua necesita tratamiento, como mínimo en la operación de fabricación se tendrá que invertir en un sistema de tratamiento de agua. Operar un suavizador de agua, el cual puede tener un precio de etiqueta de $3,000 a $6,000, cuesta sólo unos centavos por hora, y generalmente es todo lo que se requiere si el agua de entrada tiene menos de 200 PPM TDS. El derrame de este tipo de sistema va directamente al drenaje.

Si el agua de entrada tiene 300 PPM de dureza o más, un sistema de ósmosis inversa puede ser más rentable a la larga. Un sistema de ósmosis inversa puede costar de $20,000 a $30,000, lo cual incluye un enfriador, pero puede entregar agua con más de 300 PPM de dureza. Operar dicho sistema cuesta alrededor de $0.20 a $0.30 por hora, y el derrame es drenado a los desagües públicos.

Un sistema de reciclado de agua requiere una inversión similar al sistema de ósmosis inversa y produce un tipo similar de agua. Sin embargo, es considerado un sistema más amigable con el ambiente debido a que el agua no es desechada, sino que se reutiliza de manera constante. Operarlo cuesta alrededor de $2 a $4 por hora, lo cual cubre filtros y electricidad. También deben considerarse la mano de obra y el tiempo improductivo asociados con el cambio de los filtros.

Verifique la Cabeza de Corte

Las boquillas (vea la Figura 3) típicamente cuestan de $80 a $200 y tienen una vida de 40 a 80 horas, dependiendo de la tolerancia y la calidad del borde deseadas. Esto es un costo de alrededor de $1 a $5 por hora. Si el costo total de las partes consumibles de un chorro de agua es de $15 a $20 por hora, esto podría ser del 5 al 33 por ciento del costo de consumibles por hora.

El movimiento del abrasivo a través de la boquilla es el culpable del desgaste del componente. El abrasivo desgasta lentamente los diámetros inte­riores de la boquilla de abrasivo; el orificio crece aproximadamente 0.001 pulgadas por hora de corte. Este patrón de desgaste no siempre es uniforme, por lo que un lado de la boquilla puede des­gastarse más rápido que el otro.

Los síntomas que alertan a un fabricante de que es tiempo de cambiar la boquilla son los cortes internos que se vuelven más grandes y los cortes externos que se vuelven más pequeños de lo que se busca. Además, los operadores pueden ver una mala calidad de corte en una o más direcciones.

El tiempo de reparación va de 5 a 10 minutos para cambiar las boquillas.

La mejor forma de evitar cortes de mala calidad relacionados con boqui­llas desgastadas es:

  • Llevar un control de las horas de la boquilla y empezar a monitorear la calidad del corte y la tolerancia conforme se acumulan las horas.
  • Ajustar la compensación de la ranura según se requiera para permanecer dentro de los límites de tole­rancia.

Las boquillas viejas no tienen que tirarse necesariamente a la basura. Guárdelas para trabajos menos críticos.

La obstrucción de la boquilla de abrasivo también puede causar problemas. Puede haber obstrucciones por abrasivo excesivo o por un tamaño de malla abrasiva demasiado grande para un diámetro de orificio en particular, contaminantes grandes en el abrasivo, o punta de la boquilla en contacto con la pieza de trabajo durante la perforación o el corte.

Una obstrucción es fácil de detectar. El chorro de agua se detiene. El agua puede regresar por el tubo de alimentación del abrasivo por toda la trayectoria hasta la mini-tolva, hasta que la máquina es detenida. Entonces toda esta línea de alimentación y la mini-tolva deben vaciarse y secarse por completo.

Debido a la velocidad a la cual se mueve el abrasivo, generalmente la boquilla se obstruye hasta el punto en que no puede usarse más. A veces se logran limpiar las boquillas obstruidas volteándolas boca abajo y abriendo el agua a una potencia baja. El tiempo necesario para reparar o reemplazar componentes relacionados con la obstrucción puede ir de 5 a 30 minutos.

La mejor forma de evitar una obstrucción es:

  • Usar el tamaño de malla y la cantidad de abrasivo correcto para la boquilla de abrasivo que se esté usando.
  • Asegurarse de que el tanque de abrasivo tenga un dispositivo de criba para filtrar la mayor cantidad de contaminantes del abrasivo.
  • Usar una navaja limpia para abrir las bolsas de abrasivo y así evitar que entre papel de la bolsa al abrasivo.

Usar un sensor de altura para mantener la altura constante durante el perforado y el corte.

  • Asegurarse de que los interruptores de proximidad estén en línea con el tubo de alimentación de abrasivo para detectar el retorno de agua o abrasivo en el tubo de alimentación.

Ocasionalmente se rompe una boquilla de abrasivo. El material de carburo de tungsteno con que están hechas las boquillas es muy duro, pero también muy quebradizo. La ruptura ocurre usualmente cuando la boquilla arrastra material sobre la superficie, choca con una parte puntiaguda, choca con el borde de la hoja de material, o simplemente se deja caer durante un mantenimiento regular. Obviamente, la ruptura puede tener un enorme impacto en el costo de operación, especialmente si ocurre al inicio de la vida útil de la boquilla cuando todavía está buena.

La mejor forma de evitar romper una boquilla es:

Usar sensor de altura y protección contra colisiones para prolongar la vida de la boquilla.

Invertir en software que evite la colisión, el cual permite al operador cambiar la posición inicial, dependiendo de a dónde se vaya a mover después la cabeza de corte.

Toma entre 5 y 10 minutos reemplazar la boquilla rota.

Verifique la Cámara de Mezclado

La cámara de mezclado es donde el abrasivo es succionado en la corriente del chorro de agua. Las partículas de abrasivo son aceleradas hasta aproximadamente 2.5 veces la velocidad del sonido.

La cámara de mezclado es susceptible a un desgaste normal y tiene una vida útil de alrededor de 500 horas. Una nueva cámara de mezclado cuesta entre $100 y $200, y toma entre 5 y 10 minutos cambiarla.

El reemplazo prematuro de la cámara de mezclado puede requerirse si la cámara de mezclado y la boquilla de agua están desalineadas. Esto hará que la corriente del chorro de agua corte en la cámara de mezclado.

También puede haber obstrucción en la cámara de mezclado si el abrasivo no es filtrado adecuadamente.

Verifique la Boquilla del Agua

La boquilla del agua es donde el agua bombeada a 50,000 PSI es acelerada a una corriente de chorro de agua que viaja a 2,500 pies por segundo (FPS) (762 metros por segundo). Se usan gemas—zafiros, rubíes, o diamantes—para crear la corriente de chorro de agua.

¿Cómo se hace? Hay un orificio muy pequeño en la gema. El diámetro del orificio es de 0.005 pulgadas a 0.020 pulgadas, dependiendo de la aplicación. Cuando se deja que el agua salga por el pequeño orificio, ésta sale a una velocidad muy alta. Mientras mayor sea el orificio, más agua saldrá, pero la velocidad a la cual sale el agua se reduce enormemente.

Los zafiros y rubíes tienen una vida de 40 horas a 80 horas, y los diamantes duran hasta 800 horas. Por supuesto, los diamantes son mucho más caros que los zafiros y los rubíes—$300 a $500 contra $15 a $30—pero cuando toma en cuenta la vida útil con el costo del consumible, el costo total por hora es similar. Puede haber ahorros en costos cuando se reducen los intervalos de mantenimiento y no se requiere tanto tiempo improductivo para reemplazar las gemas desgastadas.

La mejor forma de evitar contaminar las gemas es:

  • Eliminar la presencia de agua dura con el sistema adecuado de acondicionamiento de agua.
  • Reemplazar tubos de alta presión conforme sea necesario para que haya menos riesgo de desprendimiento de material dentro de los tubos.
  • Asegurarse de que el filtro final, localizado antes de la cabeza de corte, reciba el mantenimiento adecuado.

Una indicación de una gema desgastada es una mala calidad de borde después de haber reemplazado la boquilla de abrasivo. Toma de 5 a 15 minutos cambiar la gema usada. Un limpiador ultrasónico es una herra­mienta práctica para ayudar a limpiar la boquilla de agua.

Verifique la Válvula Neumática

La válvula de encendido/apagado neumático se abre y cierra para controlar el flujo de agua hacia la cabeza de corte. Cuando la válvula está desgastada, goteará agua desde la cabeza de corte.

Toma 15 ó 20 minutos reemplazar la válvula, y el costo podría estar entre $100 y $200, dependiendo del número total de componentes que se vayan a reemplazar.

Verifique las Líneas y Conexiones de Alta Presión

Las líneas y conexiones de alta presión sufren desgaste normal y tienen que reemplazarse a intervalos regulares. Un fabricante puede esperar obtener alrededor de 2,000 horas de las líneas de alta presión. Reemplazarlas cuesta entre $15 y $30 por pie, y la tarea se lleva de 15 a 30 minutos.

Tendrían sentido líneas de alta presión pre-roscadas más caras si un fabricante está reemplazando líneas con poca frecuencia, una o dos veces al año. Se requiere un cierto grado de destreza para roscar y biselar adecuadamente las líneas de alta presión. Si un operador lo está haciendo con poca frecuencia, podría ser más rentable comprar las líneas pre-roscadas y ahorrarse el tiempo y la molestia.

La mejor forma de evitar daño innecesario a las líneas de alta presión es:

  • Asegurar la calidad del agua.
  • Evitar picos de presión, los cuales pueden acortar la vida de la línea.
  • Limitar la cantidad de flexión y torsión en las líneas de alta presión.
  • Invertir en tecnología de calidad de bombas para asegurar una entrega suave de presión.

Por el bien del operador de la máquina, todas las líneas de alta presión deben asegurarse. Si una línea se rompe y no está asegurada, la línea podría ser un objeto muy peligroso considerando la presión que se está bombeando a través de la misma.

Verifique las Válvulas Manuales, Conectores y Filtro Final

Para tener una noción real de cuántas válvulas manuales, T, codos y otros conectores hay en un chorro de agua, un fabricante necesita rastrear la trayectoria del agua desde la bomba hasta la cabeza de corte. Estos elementos duran típicamente de 1,000 a 2,000 horas y reemplazarlos cuesta de $50 a $200.

El filtro final captura toda suciedad en el agua antes de que entre a la cabeza de corte. El filtro puede necesitar ya sea reemplazarse o simplemente limpiarse, dependiendo del diseño.

Verifique la Bomba de Alta Presión

El software de diagnóstico es de gran importancia al darle mantenimiento al corazón de la máquina de corte por chorro de agua. El software monitorea las presiones y temperaturas del aceite, del aire y del agua y la vida del filtro, y prueba si hay fugas en las válvulas de no retorno. Da advertencias antes de una falla, de forma que pueda planearse el mantenimiento.

En algunos casos, el software de diagnóstico remoto permite que el técnico de servicio del fabricante del chorro de agua monitoree el funcionamiento de la bomba. El software además puede usarse para permitirle al operador del manufacturero monitorear el funcionamiento del chorro de agua mientras está fuera del sitio.

La bomba en sí comprende muchas partes: sellos de alta presión, válvulas de no retorno, válvulas de alivio de seguridad, pistones y cilindro de alta presión y el acumulador de presión. El agua, aire y aceite hidráulico también se están pulsando a través del equipo.

Los sellos de alta presión cuestan entre $30 y $50 por asiento y vienen en juegos de cuatro a ocho. Duran aproximadamente 500 horas. Puede tomar de 30 minutos a 1 hora reemplazar todos los sellos de alta presión en una bomba. La calidad del agua y la atención a la limpieza pueden tener un impacto dramático en la vida del sello.

Las válvulas de no retorno evitan que el agua a alta presión regrese a la bomba o que el agua fresca regrese y salga de la línea de entrada.

La válvula de alivio de seguridad es similar en concepto a la válvula neumática de cierre/apertura para la cabeza de corte. Cuando la cabeza de corte se apaga, la presión en las líneas es liberada a través de la válvula de alivio de seguridad.

Los sensores en la bomba aseguran presiones, temperaturas y volúmenes adecuados para el aire, el agua y el aceite hidráulico. Los diversos filtros para cada uno requieren reemplazo pe­riódico.

Los pistones y el cilindro de alta presión tienen una vida de 5,000 horas. El costo de reemplazo de estos elementos sale entre $1 y $2 por hora.

El acumulador de presión tiene una vida útil de 10,000 horas. El costo de reemplazo es de alrededor de $1 por hora.

La mayoría de los acumuladores de presión tienen ahora un diseño de "fuga antes de fallar". Si el operador de la máquina nota una fuga desde el acumulador, es una indicación de que se requiere un reemplazo antes de que ocurra una falla catastrófica. Algunas bombas usan cilindros con fase desplazada electrónicamente para eli­minar la necesidad de acumuladores de presión y al mismo tiempo evitar este costo de reemplazo.



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