Aplicación del principio termostático en la prueba de impulso de mangueras hidráulicas

Al certificar mangueras y otros componentes hidráulicos, hay una variedad de especificaciones para elegir, desde configuraciones simples de verificación hasta los requisitos de prueba más complejos. Cada segmento de mercado o producto tiene su propio conjunto de estándares que se revisan, implementan o crean continuamente a medida que se hacen realidad nuevos materiales o aplicaciones innovadoras.

El uso generalizado de un producto a menudo requiere un conjunto de normas que lo acompañen. Las aplicaciones automotriz, aeroespacial, hidráulica industrial y, más recientemente, GNC se pueden enumerar como algunas de las pruebas de mangueras más complejas. Los conceptos de prueba tradicionales tienen que renunciar a procedimientos de prueba más eficientes y al hecho de que también es necesario medir otros parámetros de prueba. Esto es especialmente cierto cuando se requieren pruebas complejas de pulsos termostáticos de mangueras hidráulicas.

Cuando se combina un entorno de temperatura constante con pruebas pulsadas, se deben medir nuevos parámetros de prueba y se debe incorporar un nuevo conjunto de variables a la ecuación. Otro factor que debe analizarse en profundidad es cómo la especificación define el procedimiento de prueba. A veces, incluso las especificaciones no son tan claras como se esperaba, y la explicación de esto puede requerir una mayor investigación.

Existen algunos estándares internacionales que cubren principalmente bancos de prueba de impulso con cámaras de temperatura constante. Por ejemplo, en el sector aeroespacial, la serie AS de normas SAE tiene publicaciones dedicadas a probar acoplamientos, accesorios, mangueras y conjuntos de tuberías. Además de las exigentes pruebas de pulso, algunas de estas especificaciones requieren que la temperatura ambiente esté por debajo de cero o muy por encima de la temperatura de la cámara. El equipo de prueba debe simular el entorno al que está expuesta la aeronave. También existen estándares aeroespaciales nacionales que requieren temperaturas por debajo de 0°C cuando se opera un ciclo de presión.

Sala de pruebas (frío y calor)

En el mundo automotriz, la situación se vuelve más complicada, ya que cada fabricante tiene su propio conjunto de estándares desarrollados dentro de la empresa. En este caso, para el mismo producto y aplicación, una condición de prueba puede ser aceptable para una empresa y no necesariamente para otra empresa. Aquí es cuando la complejidad de los requisitos de prueba hace que el diseño del equipo de prueba sea una tarea desafiante.

Recientemente, se ha lanzado un nuevo estándar con la adición de estaciones de servicio y mangueras de GNC a bordo. Tomemos como ejemplo el último ANSI/CSA NGV 4.2 -2014 CSA 12.52 – 2014, publicado en febrero de 2014, que se enfoca en las pruebas requeridas para este tipo de certificación de manguera. El estándar requerido para realizar estas pruebas es básicamente una combinación de dos tecnologías en un solo dispositivo.

Desafíos y métricas del ingeniero de pruebas

Esto presenta otro conjunto de problemas para los ingenieros de pruebas que podemos categorizar como desafíos para los ingenieros de pruebas en la actualidad. Esta técnica de prueba combinada describe más desafíos con especificaciones más estrictas, comportamiento del material de la manguera bajo presión, más variables medidas y más. También deben determinar las métricas, las medidas correctas y la colocación de sondas y sensores para producir las lecturas más precisas. Medir la temperatura ambiente y del fluido en estas condiciones combinadas es un desafío. Los ingenieros deben decidir cuándo rechazar una ubicación de medición en particular.

Las pruebas actuales son más exigentes y complejas que en el pasado. También requieren una fácil calibración de los sensores de presión y temperatura. No obstante, elegir el equipo adecuado para realizar estas tareas se vuelve aún más importante y un factor importante en la determinación de la inversión. Los equipos nuevos que brindan resultados de prueba precisos pueden ser la solución al problema de los equipos obsoletos en las fábricas.

Combina temperatura constante y prueba de pulso

De acuerdo con las especificaciones internacionales, las pruebas de pulso implican aplicar pulsos de presión de una frecuencia específica a un componente usando un fluido (generalmente aceite) que siempre se mantiene a la temperatura de diseño, típicamente desde ambiente hasta 150 °C. Los componentes diseñados y fabricados para los mercados aeroespacial y automotriz están destinados a pruebas de pulso, no solo para controlar la temperatura del fluido, sino también para crear un entorno de temperatura controlada en el que colocar la muestra de prueba.

De acuerdo con la especificación de referencia, la temperatura del área de prueba del conjunto de prueba puede variar desde algunos grados por debajo de 0 hasta una temperatura ambiente de 205°C. Este entorno simula las condiciones ambientales en las que funcionará el componente en una aplicación real. Esta situación requiere una combinación de pruebas de impulso de las mangueras hidráulicas y pruebas del ambiente en cámara caliente.

El banco de pruebas de pulso opera 24/7. Por lo tanto, el equipo requiere un alto nivel de medidas de seguridad durante su funcionamiento. Está diseñado para detenerse automáticamente sin la presencia de un operador. Además, debe contener de manera segura cualquier derrame de aceite y partículas de chorro que puedan haber ocurrido durante la prueba. Por lo tanto, la estructura de la máquina debe ser robusta y su cámara de prueba (donde se colocará la unidad bajo prueba) debe ser resistente al aceite, mecánicamente resistente y estanca al aceite.

Las principales características de la cámara de ensayo del banco de pruebas de pulsos deben ser:

  • Diseñado y fabricado con materiales adecuados, resistentes a aceites de alta presión y alta temperatura.
  • Contiene puertas lo suficientemente grandes para permitir un fácil acceso a todas las áreas. Además, la puerta debe ser resistente al aceite así como a la inyección de partículas metálicas.
  • Ergonómico para permitir al operador trabajar cómodamente.
  • Contiene colectores de acero para soportar pulsos de alta presión. Los manifolds deben tener las conexiones adecuadas para instalar los componentes bajo prueba. Esta decisión debe tener en cuenta la presión máxima alcanzable requerida y el tamaño del componente bajo prueba.
  • Con la ayuda de los adaptadores apropiados, está disponible un colector capaz de cumplir con todos estos requisitos y cubrir una variedad de muestras de prueba.
  • Permite que el componente bajo prueba sea visible. En general, las puertas deben estar equipadas con ventanas panorámicas, lo que puede plantear problemas de seguridad. Por lo tanto, las ventanas deben contener malla de alambre.
  • Debe ser posible recolectar el aceite derramado durante la prueba o durante la extracción de muestras de prueba y redirigir este fluido de regreso al tanque del sistema hidráulico, posiblemente requiriendo filtración.
  • Estas propiedades deben permanecer presentes incluso en cámaras de prueba con temperaturas que van desde bajo cero hasta más de 100 °C.

condiciones ambientales

Obviamente, las condiciones ambientales introducen variables adicionales. Primero, el marco de la cámara de prueba y todos los componentes metálicos que están sujetos a condiciones extremas de temperatura deben estar hechos de acero inoxidable. El acero inoxidable tiene una mayor resistencia a la oxidación, especialmente en ambientes de alta temperatura y alta humedad, su efecto será más evidente.

Una cámara de prueba se puede describir como un recipiente de metal en el que el calentamiento y el enfriamiento producen pocas variables, como la expansión volumétrica y lineal de los materiales y la sobrepresurización y despresurización.

Estos fenómenos provocan tensión en la estructura de la cámara de prueba. La cámara debe ser hermética para mantener la temperatura ambiente objetivo y evitar que se escape el calor o el frío. Además, el área del laboratorio también debe ser impermeable al aceite.

Cuando la cámara de prueba se calienta, el volumen de aire en el interior aumenta. Esto crea una sobrepresión que puede ser perjudicial para la integridad estructural. Para evitar la disipación de calor, hay una válvula de seguridad en la parte superior de la cámara de prueba. La válvula de seguridad normalmente está cerrada y cuando es necesario aliviar la presión elevada, abre automáticamente la válvula de seguridad g para evitar la sobrepresión.

Panel de control

Lo contrario sucede cuando la cámara de prueba se somete a temperaturas bajo cero. La cantidad de aire en la cámara de prueba se reduce, lo que resulta en una menor presión. Esto es especialmente cierto en una cámara de prueba cerrada y, por su integridad estructural, esta condición es tan peligrosa como la sobrepresión.

Por esta razón, es importante permitir la compensación de presión entre el interior y el exterior del área de prueba durante la reducción de temperatura. Tenga en cuenta que dejar una abertura, aunque sea pequeña, entre el interior y el exterior de la cámara de prueba puede provocar la formación de hielo.

Otro factor de riesgo asociado con el calentamiento de la cámara de prueba es la posibilidad de incendio.

A temperaturas ambiente elevadas, el fluido utilizado para realizar pulsos de presión en el componente bajo prueba es en realidad combustible. Cuando este fluido entra en contacto con la atmósfera caliente del laboratorio, tiene el potencial de incendiarse. El peligro aumenta según el tipo de fluido y el valor de temperatura en la cámara de prueba.

En teoría, si el fluido permanece sellado dentro de la muestra que se está analizando durante la prueba, nunca se producirá la combustión. Sin embargo, la prueba de pulso es una prueba destructiva y la falla del componente debe tratarse como una alta probabilidad.

Cuando un banco de prueba de impulso debe realizar pruebas en condiciones de temperatura muy alta en la cámara de prueba, la selección del fluido de trabajo debe ser muy precisa y cuidadosamente seleccionada.

El primer criterio para el análisis es el punto de inflamación del fluido, o la temperatura más baja a la que el fluido puede vaporizarse para formar una mezcla inflamable en el aire. La medición del punto de inflamación requiere una fuente de ignición, en la que el vapor puede dejar de arder cuando se retira la fuente de ignición.

Esto lleva a una consideración rápida: si el fluido se usa para realizar pruebas de pulso en componentes instalados en una cámara de prueba a una temperatura cercana o superior a su punto de inflamación, generalmente no debe haber luces ni equipos eléctricos presentes. Se pueden utilizar como fuentes de ignición.

Otro punto a considerar es el punto de ignición del fluido. El punto de ignición de un combustible es la temperatura a la cual los vapores producidos por un combustible determinado seguirán ardiendo durante al menos 5 segundos. Se convierte en una llama abierta cuando se enciende.

La propiedad física final a considerar es la temperatura de autoignición o punto de ignición. Es la temperatura más baja a la que una sustancia se encenderá espontáneamente en una atmósfera normal sin una fuente de ignición externa, como una llama o una chispa. Esta temperatura es necesaria para proporcionar la energía de activación necesaria para la combustión.

Sistema de refrigeración industrial

La conclusión simple es que solo es necesario seleccionar un fluido con un punto de inflamación superior a la temperatura objetivo más alta alcanzada en la cámara de prueba. Sin embargo, incluso esta precaución puede no ser suficiente para tener un sistema seguro. De hecho, cuando el aceite se esparce durante la prueba y golpea las paredes o cualquier otra superficie caliente en la cámara de prueba, la parte volátil del fluido se evapora rápidamente y la parte carbonosa del fluido se deposita, especialmente si el fluido es petróleo, ya que sucede en la gran mayoría de las aplicaciones.

Esto explica por qué la cámara de prueba de la gradilla de pulsos siempre está marrón y sucia. Los residuos de aceite son difíciles de eliminar sin fregar con un producto de limpieza abrasivo especial. Con el calentamiento continuo a lo largo de la prueba, el residuo carbonoso del aceite depositado en la superficie de la cámara de prueba pierde su volatilidad hasta que solo queda carbón. La temperatura del punto de inflamación de estos residuos luego disminuye significativamente debido a la pérdida de todos los aditivos que alguna vez estuvieron presentes.

En estas condiciones, estos elementos carbonosos pueden actuar como fuente de ignición en caso de que se produzcan nuevos derrames de aceite en la cámara de prueba durante la prueba de pulso. El aceite nuevo del componente bajo prueba podría llegar al mismo punto donde está el residuo carbonoso y ser más propenso a incendiarse que en su estado original.

Hay muchas opciones de aceite de silicona en el mercado, pero generalmente no se consideran combustibles a temperaturas de hasta 300 °C (572 °F). Estos fluidos no dejan residuos carbonosos, por lo que la reducción del punto de inflamación anterior no se aplica a ellos, pero son muy costosos y particularmente volátiles en comparación con otros tipos de fluidos. A pesar de todas estas consideraciones, dado que la seguridad es el requisito número uno para cualquier instalación industrial, el uso de fluidos de silicona puede eliminar por completo los problemas de incendios sin necesidad de sistemas adicionales de protección o supresión de incendios. Sin embargo, los costos de inversión pueden ser un problema y esto debe tenerse en cuenta en un estudio de factibilidad.

En algunos casos, como en aplicaciones de pruebas militares y aeroespaciales, la especificación (SAE AS 620) requiere que el fluido tenga un punto de inflamación inferior a la temperatura de prueba que debe alcanzarse en la cámara de prueba. En este caso, la experiencia ha demostrado que los sistemas de extinción de incendios convencionales y asequibles no serán efectivos para asegurar los equipos de prueba en un período de tiempo razonable.

Una forma muy segura de prevenir incendios es usar un sistema que reduzca la concentración de oxígeno en la cámara de prueba y lo reemplace con una cantidad correspondiente de nitrógeno, creando un ambiente inerte en el área de prueba. El uso de tales equipos requiere un alto nivel de diseño y fabricación de la cámara de prueba, ya que cualquier fuga puede poner en peligro la eficacia de su acción y, por lo tanto, la seguridad del banco de pruebas. Además, el sistema debe poder monitorear continuamente la concentración de oxígeno en la cámara de prueba y comunicar el estado de seguridad al usuario.

Hasta ahora, hemos descrito principalmente técnicas de seguridad y construcción mecánica. Ahora debemos centrar nuestra atención en los sistemas de calefacción y refrigeración que pueden cambiar las condiciones de temperatura en el área de prueba de la máquina de pulso. En lugar de centrarnos en el tamaño, describimos las posibles soluciones y cómo elegir una sobre la otra.

Sistema de calefacción. La forma más fácil de calentar un laboratorio es usar un calentador eléctrico completamente alimentado. La potencia del calentador debe elegirse con precisión en función del volumen de la cámara de prueba y todo lo que hay dentro (por ejemplo, colectores, ejes, componentes a probar, ventanas, etc.). Se requieren uno o más ventiladores para aumentar el intercambio de calor entre el calentador y el aire. Una buena circulación de aire debe proporcionar una temperatura uniforme en cualquier punto dentro de la cámara de prueba. El ventilador es otro parámetro importante que requiere un dimensionamiento preciso para alcanzar el objetivo con el menor consumo de energía y temperatura superficial en el menor tiempo posible.

La temperatura de la superficie del calentador debe dimensionarse para colocarse directamente dentro del área de prueba para maximizar el intercambio de calor. Considere siempre lo que se ha discutido anteriormente sobre el punto de inflamación del fluido de trabajo. De lo contrario, si el fluido tiene un punto de inflamación «bajo», hay dos soluciones posibles:

El calentador debe colocarse fuera del área de prueba y el intercambio de calor se realizará en las paredes de la cámara de prueba. En este caso, se debe prestar especial atención a la temperatura que alcanzan las paredes del área de ensayo. Esto afectará negativamente la eficiencia del intercambio de calor. El uso de aluminio puede mejorar significativamente el efecto de convección.

Si el banco de pruebas está equipado con un sistema inerte, se evitará el fuego. El calentador se puede colocar en la cámara de prueba en contacto directo con el aire y el aceite.

El proceso de calentamiento debe controlarse con mucha precisión para evitar un exceso de temperatura, lo que es muy peligroso para la estructura del laboratorio. Suelen estar diseñados para soportar las temperaturas más altas declaradas. Un sistema de control de circuito cerrado suele ser la mejor solución para alcanzar la temperatura objetivo, aunque la configuración de la prueba puede ser muy exigente. Esto es especialmente cierto en cámaras de prueba muy pequeñas o muy herméticas donde la potencia de calefacción o los ventiladores no se evalúan con precisión.

sistema de refrigeración. A menudo, los sistemas de refrigeración industrial son la mejor manera de lograr este resultado. Un elemento clave de estos sistemas industriales es el compresor. Es el primer y más importante componente y proporciona un rendimiento general en términos de gradientes de caída de temperatura y estabilidad del sistema. El sistema dependerá en gran medida de la precisión con la que se calibre el compresor durante el diseño. Los sistemas de refrigeración industrial pueden ser monoetapa o multietapa, dependiendo de las temperaturas bajo cero que se deban alcanzar.

válvula de seguridad

Las pruebas fiables se logran mediante una combinación equilibrada de los sistemas individuales en el banco de temperatura constante: sistema de calefacción, sistema de refrigeración y banco de pruebas de impulso. Todos estos no están necesariamente presentes al mismo tiempo, ya que algunas especificaciones solo requieren pruebas a baja temperatura, mientras que otras requieren climas cálidos específicos. Cuando se requieren bajas y altas temperaturas, los sistemas de calefacción y refrigeración deben funcionar en perfecta armonía. Además, se deben controlar muchas cualidades físicas: presión de prueba, temperatura del aceite de prueba, temperatura del depósito, temperatura del aire en el área de prueba, etc.

Se requiere un sistema de gestión centralizado con potentes algoritmos para mantener en equilibrio cada una de las numerosas actividades, garantizando así el funcionamiento fiable del banco de pruebas. El sistema también supervisa el rendimiento de cada actividad individual: límites superior e inferior, así como parámetros de seguridad.

La integración y gestión utilizando múltiples sistemas con diferente lógica de gestión es mucho más compleja. Por ejemplo, las condiciones de alarma para una prueba de pulso pueden diferir de un sistema de calefacción. En este caso, el stent detiene el ciclo de pulsación y no impide necesariamente que el sistema de calentamiento continúe funcionando. Además, cada sistema individual requiere una configuración diferente y, en el peor de los casos, el panel de control de cada sistema será diferente y estará ubicado alrededor del equipo o área de trabajo.

Para un equipo tan complejo y exigente, el mejor diseño es integrar todas las funciones y accesorios del equipo en un único sistema de gestión. Todas las señales analógicas y digitales de sensores e interruptores, necesarias para un funcionamiento seguro y eficiente, deben conectarse a una unidad de gestión centralizada. A través de una unidad PLC o Compact Rio, se creará un dispositivo confiable capaz de garantizar un alto nivel de seguridad y estabilidad en el tiempo.

También serán responsables de monitorear el estado general de la máquina e intervenir rápidamente en caso de desviación de las especificaciones o falla de cualquier componente. La unidad también recuerda a los operadores que verifiquen el programa de mantenimiento y el tiempo de los componentes individuales para ayudarlos a mantener adecuadamente el equipo. La información del banco de pruebas está siempre disponible desde el panel de control, lo que facilita la vida de los operadores y el personal de mantenimiento y reduce la posibilidad de errores.

Las lecturas físicas proporcionadas por los instrumentos de los diferentes sistemas deben estar disponibles en la interfaz del operador y mostrarse en forma de gráficos en tiempo real que luego pueden adquirirse y guardarse para informes de prueba y diagnósticos de la máquina.

Para el propio dispositivo, los beneficios de la integración de todos los sistemas permitirán ajustes precisos y un mejor control e interacción con el proceso a realizar. Los resultados finales de las pruebas serán mejores y la implementación de cada prueba estará completamente automatizada sin la intervención del operador.

La conclusión aquí es que agregar sistemas independientes para formar un tipo de dispositivo no es la solución correcta para esta ecuación. Además de engordar la gestión, esta situación puede aumentar el riesgo de accidentes en el área del laboratorio. Uno podría pensar que se trata de una inversión muy baja, lo que puede ser cierto, pero dado el retorno de la inversión y el tiempo que lleva solucionar problemas de mantenimiento y escribir pruebas, puede compensar fácilmente el beneficio percibido inicial.

Ejemplo de un banco de pruebas de pulsos a temperatura constante

proteger a las personas y el medio ambiente

Toda esta información apunta a un aspecto importante: el proceso de selección de dispositivos. Hay muchas formas de diseñar un circuito hidráulico simple usando solo un circuito básico con bombas y válvulas. Los diseños hechos en casa a menudo siguen este concepto, y un pequeño número de personas puede recibir los resultados de las pruebas. Las empresas exigentes están cada vez más involucradas en el proceso de certificación.

Los estándares utilizados hoy en día pueden actualizarse, cambiarse y reemplazarse por versiones más nuevas y mejoradas. La pregunta es cómo definir una solución flexible que continúe brindando el mismo nivel de resultados de prueba en el futuro para que la inversión sea financieramente sólida. Encontrar el mejor equilibrio entre las necesidades actuales y futuras es un factor clave en el proceso de toma de decisiones.

Trabajemos para hacer que las pruebas de pulsos termostáticos sean más seguras, brindando protecciones discretas para los operadores y el medio ambiente, al tiempo que cumplimos con las normas ambientales y de seguridad locales, y brindamos resultados de prueba confiables y precisos. Todo el mundo quiere un entorno cómodo, seguro y limpio, y ese objetivo es posible.

Marco Panichi, Ing., con BIMAL Ltda. , Ponte Valle Chepi, Italia.

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