Análisis de las principales causas de falla de los componentes de la perforadora hidráulica

La perforadora hidráulica es un equipo utilizado para la perforación de agujeros en roca, dotado de múltiples funciones como percusión, rotación, avance y lavado, empleándose en la construcción de barrenos o huecos para anclajes. Debido a su estructura relativamente compleja, las causas de daño en sus componentes también son bastante complicadas. En este artículo, se analizan las razones principales del deterioro de los componentes clave de la perforadora hidráulica.

1. Grieta en la tapa del acumulador

Las grietas en la tapa del acumulador se muestran en la Figura 1, y existen tres posibles causas para su aparición:

En primer lugar, el método utilizado para verificar la presión del acumulador no es adecuado. La inspección de la presión del acumulador no debe realizarse con demasiada frecuencia, ya que esto puede provocar fácilmente una fuga de nitrógeno del globo interior del acumulador. Si el acumulador opera con una presión de inflado baja, generará un exceso de fuerza de impacto en el aceite hidráulico. Esta fuerza de impacto, al actuar sobre la tapa del acumulador, podría causar grietas en dicha tapa.

En segundo lugar, la válvula de presión de llenado de nitrógeno no fue reemplazada. Durante la revisión mayor del acumulador, se debe sustituir la válvula de presión de llenado de nitrógeno. Esto se debe a que, tras un uso prolongado y frecuente de apertura y cierre, la superficie de sellado de la válvula vieja presenta desgaste. Cuando la superficie de sellado de la válvula de presión de llenado de nitrógeno se desgasta, puede provocar fugas de nitrógeno en el globo del acumulador, lo que a su vez causará grietas en la tapa del extremo del acumulador.

Tercero, la fuerza de apriete de la tapa del acumulador es demasiado alta. No haber apretado la tapa del acumulador según el par de torsión especificado puede generar tensiones adicionales en su interior, provocando grietas prematuras.

2. Cabezal de enjuague roto

El cabezal de lavado está fabricado con acero de alta resistencia y resistente a la corrosión; su función es mantener el sello de agua en la posición correcta y soportar el anillo de retención. La zona donde se produjo la ruptura del cabezal de lavado se muestra en la Figura 2, y las causas de dicha ruptura son las siguientes 3:

En primer lugar, se trata de errores de manejo. Tras analizar varios casos de rotura del cabezal de lavado, se concluyó que la causa principal de estas roturas es el manejo inadecuado del movimiento de impacto en la perforadora hidráulica cuando no hay fuerza de avance, especialmente durante impactos elevados o avances inversos (golpes hacia atrás), lo que fácilmente puede provocar la ruptura del cabezal de lavado.

En segundo lugar, la boquilla de lavado se ve afectada por la corrosión. Dado que el material con el que se fabrica la boquilla no puede combinar al mismo tiempo alta resistencia y buena resistencia a la corrosión, si el agua de lavado utilizada tiene propiedades ácidas o alcalinas corrosivas, la boquilla se corroerá. Este efecto corrosivo puede provocar grietas en la boquilla.

Tercero, el extremo frontal está corroído. En el interior del extremo frontal del martillo perforador está instalado un cabezal de lavado; si el extremo frontal se corroe, el cabezal de lavado se desplazará hacia adelante. Una vez que el cabezal de lavado avanza, la fuerza de retroceso generada por la perforación se transmite a través del anillo de retención hasta la placa de conexión, lo que provoca una concentración de estrés en los orificios de la placa de conexión del extremo frontal.

Alrededor de la boca. Dado que la placa de conexión es la pieza que une el cabezal de lavado, la concentración de tensiones puede provocar fácilmente grietas en el cabezal de lavado.

3. Grieta frontal

La parte frontal de la perforadora hidráulica está equipada internamente con una camisa guía y un cabezal de lavado, soportando todas las cargas transmitidas desde el extremo del taladro. La zona de grieta en la parte frontal se muestra en la Figura 3, y las causas de su ruptura son las siguientes 3 aspectos:

En primer lugar, error de operación. Cuando la perforadora trabaja con baja o nula presión de avance, o incluso con avance en sentido contrario (golpe inverso), se opera durante un tiempo prolongado realizando trabajos de impacto. En este momento, la fuerza del pistón de impacto se transmite al extremo frontal a través del anillo de retención y el cabezal de lavado, lo que puede provocar grietas en la parte frontal.

En segundo lugar, la corrosión interna del extremo frontal. Si se produce corrosión en el interior del extremo frontal, durante la operación del martillo hidráulico de perforación se generará una concentración de esfuerzos en la zona corroída, lo que provocará la formación de grietas en el extremo frontal. Estas grietas se extenderán con el tiempo hasta producirse una fractura completa.

Tercero, corrosión por el agua de lavado. Si la perforadora hidráulica utiliza agua de lavado con propiedades corrosivas, provocará corrosión en la parte frontal, formando concentraciones de tensión en las áreas afectadas y, como resultado, generando grietas en el extremo delantero.

4. Daño en el área del cojinete guía del pistón de impacto

El problema más común con los pistones de impacto es el daño en la zona del cojinete guía, lo que provoca que el pistón quede atascado en la camisa guía. El daño en la zona del cojinete guía del pistón de impacto se muestra en la Figura 4, y las causas de este daño se deben a los siguientes 3 aspectos:

En primer lugar, existen contaminantes. Los daños causados por la presencia de contaminantes en la zona del cojinete guía del pistón de impacto incluyen: la contaminación del aceite hidráulico, lo que provoca un mal contacto entre el pistón de impacto y la camisa guía; también, la presencia de contaminantes entre la cámara de sellado y la tapa trasera o la camisa guía del pistón de impacto, lo que resulta en una mala alineación del pistón de impacto. Estos daños provocan un rápido aumento de la temperatura en áreas locales de la superficie del pistón, generando pequeñas grietas térmicas en su superficie. Dichas grietas continúan extendiéndose hacia el interior del pistón de impacto, llevando finalmente a la fractura del mismo.

En segundo lugar, la fuerza de apriete de los pernos no es uniforme. Si los pernos a ambos lados del martillo perforador están dañados o presentan una fuerza de apriete desigual, o si la fuerza de apriete de los pernos de la tapa trasera no es equilibrada (además, en el período de mantenimiento establecido los pernos no se vuelven a apretar correctamente), esto puede provocar una disminución en la coaxialidad de las conexiones entre las distintas partes del martillo perforador, afectando así al impacto del pistón.

La fuerza no se transmite en línea recta, lo que finalmente puede provocar que el área del cojinete del pistón de impacto quede atascada o dañada junto con la camisa guía.

Tercero, corrosión en la superficie de engranaje. La corrosión en la superficie de engranaje entre la camisa guía y el pistón provoca un mayor rozamiento durante las operaciones de impacto del pistón, lo que lleva a un deterioro prematuro tanto en la zona del cojinete del pistón de impacto como en la camisa guía.

5. Cavitación del pistón de impacto

El pistón de impacto de la perforadora hidráulica soporta una fuerza de pulsación, y las superficies en las áreas de accionamiento frontal y trasera del pistón de impacto, así como la zona de sellado del pistón, suelen experimentar cavitación. La situación de cavitación en el pistón de impacto se muestra en la Figura 5; las causas de la cavitación son los siguientes dos aspectos:

En primer lugar, se produce una presión de avance demasiado baja. Cuando la perforadora hidráulica funciona durante períodos prolongados a baja presión de avance, puede provocar cavitación en el pistón de impacto. Cuando la presión de avance es demasiado baja, el pistón amortiguador se ve obligado a avanzar, desplazando la posición de impacto del pistón hacia adelante, lo que aumenta su carrera y reduce la frecuencia de los golpes. Como el tiempo de conmutación de la válvula distribuidora no cambia, esto provoca un desajuste entre la conmutación del pistón de impacto y el tiempo de conmutación de la válvula, generando así una alta presión instantánea que puede causar cavitación en el pistón de impacto.

En segundo lugar, el frecuente avance inverso (golpe hacia atrás) de la perforadora hidráulica, la presión demasiado baja o demasiado alta del nitrógeno en la bolsa del acumulador, así como el daño del propio acumulador, acelerarán el desgaste por cavitación del pistón de impacto. Por ejemplo, cuando la presión del nitrógeno en el acumulador es demasiado baja, se reduce la capacidad amortiguadora del pistón de amortiguación, lo que hace que los impulsos del pistón de impacto no sean absorbidos adecuadamente, provocando un fuerte aumento de la presión del aceite hidráulico y, en consecuencia, cavitación en el pistón de impacto.

6. Daño en la superficie de sellado del pistón de impacto

La situación de daño en la superficie del sello del pistón de impacto se muestra en la Figura 6. El daño generalmente ocurre debido a un agarre entre la zona del sello del pistón y el cuerpo del cilindro. Dado que este agarre entre las partes de acero de esta área puede provocar que el pistón de impacto quede atascado, el impacto se detiene antes de que el pistón se rompa por completo. Existen dos posibles causas para este agarre: primero, la presencia de impurezas en el aceite hidráulico, o bien que estas impurezas ingresen desde el exterior del martillo perforador hasta la superficie del sello del pistón y el cuerpo del cilindro; segundo, un incorrecto par de apriete de los pernos laterales, lo que provoca una mala alineación, o bien el desgaste de la camisa guía del pistón de impacto.

7. Daño en la superficie de impacto del pistón por golpe

La situación de daño en la superficie de impacto del pistón de choque se muestra en la figura 7. Los daños en la superficie de impacto del pistón de choque generalmente son causados por las siguientes razones:

(1) Corrosión por salinidad

Si una perforadora hidráulica se coloca en un ambiente salino durante cierto tiempo, incluso sin estar en funcionamiento, los metales sufrirán erosión por la salinidad, lo que reducirá su resistencia a la fatiga en dos tercios comparado con condiciones normales. Además, el pistón se dañará después de solo unas pocas horas de impacto normal. El pistón de impacto no puede soportar la corrosión provocada por el agua salina; por lo tanto, la única manera de prolongar la vida útil del pistón es evitar que el agua salina entre en la perforadora.

(2) Daño por corrosión

Si durante el funcionamiento de la perforadora entra líquido corrosivo en la superficie del pistón y en la punta del taladro, se formarán surcos de corrosión en la cara de impacto del pistón. Estos surcos pueden provocar grietas por fatiga que finalmente causarán la fractura del pistón. Si el daño del pistón no es muy grave, es posible rectificarlo.

8. El rodamiento giratorio presenta un desgaste severo

La situación de desgaste del rodamiento giratorio de la perforadora se muestra en la figura 8.

La precarga del rodamiento giratorio debe ser adecuada; si la precarga es demasiado baja, las bolas del rodamiento se desviarán de la pista y causarán daños al rodamiento. Las perforadoras con pistón amortiguador simple (como los modelos COP 1032/1238/1440) son especialmente sensibles a una precarga insuficiente en los rodamientos giratorios. El impacto del pistón amortiguador contra el casquillo giratorio genera vibraciones que provocan que las bolas del rodamiento se desvíen de su pista, lo que lleva a deformaciones en la cubierta del rodamiento y, finalmente, a la ruptura del rodamiento giratorio.

Una pre-carga excesiva, que genera una fricción demasiado alta sobre el rodamiento, puede provocar un desgaste prematuro del mismo. Al ensamblar rodamientos giratorios, es imprescindible realizar una prueba de pre-carga del rodamiento.

9. Daño en la camisa giratoria

La bujía giratoria transmite la fuerza de reacción del impacto desde el extremo del taladro hasta el pistón amortiguador, cuyo daño se muestra en la figura 9. Generalmente existen dos razones que provocan el deterioro de la bujía giratoria:

(1) Falta de lubricación

La lubricación adecuada es una condición necesaria para que el casquillo giratorio mantenga un buen rendimiento. Un alto empuje y perforaciones con diámetros grandes requieren reforzar la lubricación. El cambio de color alrededor de la superficie del extremo del casquillo giratorio indica falta de lubricación; cuando esta falta es grave, puede provocar la ruptura del casquillo y también causar daños en otras piezas de la perforadora.

(2) Daño por fatiga

La bujía giratoria es una pieza de desgaste que generalmente debe reemplazarse después de 400 horas de funcionamiento bajo condiciones de impacto, para evitar que el daño por fatiga de la bujía giratoria provoque daños en otras piezas.

10. Daño en el perno lateral

Los pernos laterales se utilizan para ensamblar entre sí las distintas partes del martillo perforador, y su estado de deterioro se muestra en la figura 10. Estos pernos soportan las fuerzas de impacto generadas durante el proceso de perforación debido a las fuertes vibraciones. Para evitar fallas por fatiga, los pernos laterales deben apretarse correctamente según los requisitos del proceso. Existen dos causas principales que provocan el daño de los pernos laterales: primero, no verificar el par de apriete de los pernos dentro del período establecido; y segundo, la presencia de impurezas entre la tuerca y el perno, o la corrosión de las roscas, lo que puede ocasionar que queden atascados.

En caso de corrosión en las roscas, incluso si se aprietan los pernos laterales según el par de apriete recomendado, no se generará suficiente fuerza de sujeción. Las marcas y puntos de corrosión en las roscas pueden provocar grietas, las cuales podrían llevar a la falla por fatiga del perno lateral.

Los pernos laterales con severa corrosión o grietas deben ser reemplazados. Durante cada revisión mayor, se deben sustituir los pernos laterales, las tuercas y las arandelas para prevenir daños secundarios. No se deben mezclar pernos nuevos con viejos.

11. Anillo de retención dañado

Las causas más comunes de daño en los martillos perforadores son el golpe de retroceso intenso, la baja fuerza de avance o la ausencia total de fuerza de avance. Cuando el pistón impulsa la punta de la barrena hasta su posición frontal, éste conserva cierta cantidad residual de energía de impacto, la cual actúa sobre el anillo de retención. Este golpe de retroceso, así como la baja o nula fuerza de avance, provocan un desgaste acelerado del anillo de retención. Las condiciones de daño del anillo de retención se muestran en la Figura 11.

Al reemplazar la cola de la barrena, es necesario revisar el anillo de retención; si está dañado o presenta desgaste superior a 1 mm, debe ser reemplazado. El anillo de retención es una pieza susceptible de deterioro, por lo que, para evitar daños en componentes relacionados (como el pistón amortiguador y la cola de la barrena) causados por la fatiga del anillo, generalmente se recomienda reemplazarlo cada 400 horas de impacto.

12. Desgaste de la funda del accionamiento

La falla más común del juego de accionamiento (juego triangular) es el desgaste prematuro, cuya situación de desgaste se muestra en la Figura 12. Generalmente, el desgaste del juego de accionamiento está causado por las siguientes cuatro razones: primero, falta de lubricación o lubricación insuficiente; segundo, uso incorrecto del tipo de aceite lubricante; tercero, diámetro del orificio de perforación mayor que el tamaño diseñado para la perforadora neumática; y cuarto, sobrecalentamiento del juego de accionamiento.

El sobrecalentamiento de la funda impulsora puede provocar la ruptura de la zona del chavetero en la punta de soldadura. Además, el daño a la cremallera interna de la funda impulsora y el desgaste severo de la camisa guía frontal también pueden causar grietas en la funda impulsora; asimismo, un exceso de holgura entre la funda impulsora y el casquillo giratorio también puede originar su fractura.

13. Cavitación del pistón de amortiguación

A veces, el émbolo del amortiguador experimenta cavitación severa después de un breve período de funcionamiento, como se muestra en la Figura 13.

La cavitación del pistón de amortiguación generalmente se debe a la ruptura de la membrana del acumulador o a una presión incorrecta de nitrógeno. Las fluctuaciones de caudal resultantes provocan cavitación en el pistón de amortiguación.