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ANÁLISIS DE FALLOS EN EL SISTEMA DE GOBIERNO DEL BUQUE: SERVOMOTOR DEL TIMÓN Y COJINETES

Pedro Pablo García Varela

Análisis de fallos en el sistema de gobierno del buque

1

El Servomotor del Timón. El timón de un buque es un mecanismo relativamente simple, sin embargo el sistema que permite su movimiento, y por consiguiente hacer cambiar el rumbo del buque es mucho mas complejo.

Este sistema, denominado servomotor del timón ha evolucionado desde un sistema de transmisión elemental hasta los actuales sistemas hidráulicos (oleodinámicos), capaces de generar y transmitir el esfuerzo necesario para lograr el movimiento del timón.

La refivisión del Convenio Internacional Para la Seguridad de la vida en el mar (SOLAS) de 1978 ya recoge la conveniencia de mantener un circuito de reserva que siga conectado automáticamente cuando falle el principal para el caso de petroleros de mas de 100.000 toneladas. Además recomienda un análisis riguroso de fallos en todo el sistema de gobierno.

En las reuniones del IMO (International Maritime Organization), diversas naciones aportaron información sobre las causas de fallo para poder delimitar las causas de los mismos en el timón y en el servomotor del timón. Este análisis sentó la base para las normas que se habrían de seguir en adelante para el proyecto y construcción de dichos elementos.

De los datos recogidos durante un periodo de diez años que recogían un total de 11.994 horas de operación por buque, se dedujo que el periodo durante el cual un servomotor podía funcionar sin que se produjeran daños graves era de 21 años.

Los datos recogidos fueron los siguientes:

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Tabla I: Datos recogidos sobre 11.994 horas/buque de operación •

Fallos en superficies

52

•

Defectos de montaje

176

•

Fallos en los cojinetes

96

•

Perdida de fluidos

82

•

Fallos en bombas

123

•

Fallos no esenciales

34

•

Desgaste en válvulas

7

Total

570

Tabla II: Resumen de fallos en 71 servomotores de 40 buques •

Fallos mecánicos

3

4%

•

Fallos eléctricos

5

7%

•

Control a distancia

14

20%

•

Sistema hidráulico

49

69%

Tabla III: Causas que provocaron 49 fallos •

Pérdida de aceite

9

•

Pérdida de aceite en el eje de las bombas

12

•

Deformaciones y fricción entre las partes móviles de las bombas

7

•

Acoplamiento entre bomba y motor

5

•

Válvulas de retención

4

•

Control del grupo de bombeo

2

•

Bomba incorrectamente montada

2

•

Válvulas de entrada o salida

2

•

Filtros de aceite

1

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Tabla IV: Fallos de servomotores en buques de mas de 500 TPM •

Fallos totales en servomotores

24

•

Causas no identificadas

18

•

Aire en el sistema hidráulico

8

•

Fallo de energía, total o parcial

24

•

Fallos en pistones y cilindros, incluidos obturadores de aceite

6

•

Fallos de componentes del sistema de control

44

•

Fallos en tubos

9

•

Fallos de motor o transmisiones mecánicas

18

•

Fallos del indicador de posición del timón

2

Total

173

La tabla II está referida a 20 categorías de equipamientos limitados aproximadamente a 110 buques en un periodo de 30 meses. El trabajo comprueba 81 fallos que se corresponden a un fallo por buque cada tres años. El 71% de estos fallos se corresponden con información detallada recogida en 40 buques, lo que nos permite agruparlas en las cuatro categorías que aparecen en la tabla.

De los 49 fallos en el sistema hidráulico se va a demostrar que 9 (18%) podían haber tenido consecuencias serias debido a que se produjeron en sistemas que disponían de un solo circuito hidráulico.

De estos nueve casos, dos son provocados por una pérdida de aceite, cuatro por pérdida parcial y tres por pérdida significativa del mismo elemento. Las causas de los otros 40 fallos ( algunos de los cuales van a producir una pérdida de gobernabilidad del buque), están representados en la Tabla III.

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Otro país presentó datos relativos al servomotor del timón en un período de cinco años, referidos a buques propios y de otras banderas, de 500 toneladas en adelante. Los datos conseguidos se exponen en la Tabla IV.

En este estudio aproximadamente el 90% de los fallos en el servomotor van a producir el encallamiento o la colisión del buque.

Las cuestiones significativas eran:

a) Si los incidentes iban a derivar en pérdida total de la capacidad del servo. b) Si fueron causados por fallo del servomotor, del timón o de las conexiones entre ambos. c) Cual es el tanto por ciento de este fallo entre los demás capaces de dejar el buque a la deriva.

Diversos datos referidos a los buques gaseros, quimiqueros o petroleros a partir de 10.000 toneladas , en un periodo de dos años se pueden resumir así:

•

Fallos en el servomotor del timón

13

•

Fallos en el timón

17

•

Fallos debidos a otras causas

141

Podemos ver que se han producido 30 fallos entre el servomotor y el timón, lo que nos da un 13% del total. Esta proporción es parecida a la que se dio en períodos de tiempo semejantes entre años diferentes (11%).

Los anteriores datos sobre servomotores y timones se encuentran entre los valores estimados en los diferentes paises que forman parte del TMEF. Dichos valores expresados en horas son los siguientes: servomotores 7.200, timones y conexiones 13.600, y para comparar, motores principales 7.800, anclas y molinetes 1.000, compresores 1.300. Análisis de fallos en el sistema de gobierno del buque

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Un análisis entre otros paises con bases diferentes, permite establecer unos valores relativos de la disponibilidad de los diversos sistemas entre los siguientes límites: servomotores del timón entre el 94.71% y el 99.63%, motores principales entre el 88.75% y el 99.41%; calderas principales entre el 93.81% y el 98.74%; molinetes entre el 23.46% y el 94.75%; compresores entre el 67.56% y el 99.88%.

Todos estos datos se recogieron con la finalidad de considerar la fiabilidad de los servomotores desde una perspectiva correcta.

Antes de tomar conclusiones, hay que ver el valor que podemos atribuir al proceso de recogida y tratamiento de datos. Seguramente muchos de los fallos producidos en alta mar que han afectado a la seguridad del buque no han sido reportados por los capitanes de los mismos. Los informes sobre fallos del servomotor del timón no siempre diferencian entre el tipo de fallo (por ejemplo entre el timón, las unidades de potencia y las válvulas o los circuitos hidráulicos), ni entre el tipo de servomotor, donde se tendrían que tener en cuenta los distintos tipos de diseño de los mismos.

Respecto a las diferencias en el diseño, resulta signifiativo comparar diversos modelos teniendo en cuenta el número de servomotores de un material determinado que estan en servicio, los paises que lo utilizan y tambien, claro está, el constructor.

Desde que los servomotores del timón de acción hidráulica disponen de unidades de potencia y de sus correspondientes conducciones, no se puede decir que los fallos producidos en estos sistemas siguen siendo imputables al diseño de los mismos. Se ha demostrado que en tres o cuatro años de funcionamiento se produce un rápido deterioro del sistema hidráulico. Los datos disponibles abarcan un periodo de tiempo suficientemente largo y abarcan igualmente a los sistemas de alta y baja presión de aceite.

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También tenemos información para comparar ambos métodos. Esta demuestra que la fiabilidad del sistema hidráulico a 172bar de presión es después de 8.000 horas de funcionamiento aproximadamente igual que la fiabilidad del mismo trabajando a 103 bar después de 63.000 horas de funcionamiento.

En un examen efectuado para la marina mercante de los Estados Unidos, se llegó a la conclusión de que no hay diferencia entre los fallos producidos en las bombas y en el circuito hidráulico. Se deduce también que mas de las tres cuartas partes de los fallos en el circuito hidráulico no son debidos a componentes hidráulicos. Los dos tipos de bombas hidráulicas empleadas, de pistón radiales y de pistón axiales son intrínsecamente fiables en unas condiciones de servicio apropiadas. Cuando se ha producido un fallo en estas bombas, la causa principal del mismo ha sido la contaminación del sistema hidráulico.

Limitación de los movimientos del timón. Un fallo en el circuito hidráulico tiene como consecuencia que el timón quede libre de moverse bajo el impulso de las olas. En este caso no es posible la reparación del elemento dañado ni recargar de aceite el sistema; tanto la cruceta como los brazos y los pistones son accionados por los movimientos del timón, que pueden ser muy violentos y producir, en la práctica la destrucción del sistema de movimiento que continúa conectado mecánicamente con el timón.

Esto nos plantea la cuestión de si es posible bloquear o frenar el movimiento del timón para poder realizar la reparación y evitar los daños mencionados anteriormente.

En algunos diseños antiguos, donde el servomotor era una maquinilla de vapor situada a popa, bajo cubierta y en buques relativamente pequeños comparados con los actuales, existía un sistema de frenado o inmovilización del timón que permitía reparar, o bien conectar el cuadrante que movía el eje de timón a otro

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sistema de transmisión mecánica accionado manualmente mediante una gran rueda de timón. Está claro que los esfuerzos necesarios para mover el timón en este tipo de barcos pequeños no son los mismos que se requieren para un buque del tamaño de los que nos podemos encontrar hoy dia.

En las circunstancias actuales no se ha considerado necesaria la realización de un sistema de frenado del timón. Este sistema presenta muchas dificultades e incertidumbres, mas aún si pensamos en la limitación de tiempo que impone el hecho de que el mecanismo del servomotor no sea destruido en pocos instantes por la acción del mar.

Es decir, que si el freno no puede ser aplicado con la rapidez necesaria, el servomotor puede sufrir daños irreparables. Sin embargo se van a preferir soluciones que garanticen la continuidad de funcionamiento del sistema respecto a otras que permitiesen repararlo mediante la alternativa de frenar el timón.

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LOS COJINETES ANTIFRICCIÓN. Vamos a analizar uno de los componentes a la vez mas antíguos y mas actuales de los sistemas mecánicos, el cojinete antifricción con lubricación hidrodinámica. En el funcionamiento de estos cojinetes participan al menos cuatro magnitudes, superficie interna del cojinete, superficie del eje, lubricante y acciones y condiciones de trabajo y ambientales.

Superficie interna del cojinete: •

Material o Composición o Resistencia a las cargas o Ductibilidad o Resistencia a la fatiga o Resistencia a la oxidación o Adaptabilidad o Captabilidad ( capacidad de absorver partículas extrañas) o Resistencia a la corrosión.

•

Geometría o Dimensiones o Acabado superficial o Forma o Alineación

Lubricante: •

Coeficiente de viscosidad

•

Estabilidad

•

Compatibilidad

•

Untuosidad

•

Adhesividad

•

Grosor de película

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•

Aditivos

Acciones y condiciones ambientales aplicadas: •

Ciclo de carga

•

Velocidad lineal

•

Temperatura

•

Juego

•

Humedad

•

Carcasa soporte o Material o Dimensiones o Alineación o Deformaciones o Sujeción

•

Refrigeración

•

Contaminación (polvo, etc)

•

Vibraciones

•

Potencial eléctrico

Resultantes: •

Grosor mínimo de película de aceíte.

•

Calor generado por la fricción.

•

Trabajo absorvido.

•

Temperatura del cojinete.

•

Temperatura del lubricante.

Tenemos así 34 variables, cada una de las cuales esta sometida a alteraciones en el curso de su funcionamiento normal, y muchas de ellas sometidas a la evolución de la técnica, ya que las que pudieron ser consideradas como

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buenas en la fase de proyecto podrían perder esa consideración con el paso del tiempo.

Veamos un caso; en el campo de los motores diesel marinos de dos tiempos, lentos y de gran potencia, la aplicación de la sobrecarga va a causar fallos importantes en los cojinetes del eje, de los cigüeñales y de la cruceta que van a tardar en manifestarse.

Por causa del aumento de las tensiones, generadas por las elevadas presiones máximas del ciclo térmico de los motores en sobrecarga, por otra parte perfectamente tolerables desde el punto de vista de la resistencia mecánica, va a aparecer un fenómeno que va a producir un cambio en la estructura molecular del metal por el cual su superficie se va a endurecer de manera importante, volviendose frágil y desmenuzándose con el tiempo. Esto da lugar a que los esfuerzos no van a ser absorbidos de manera adecuada, lo que provocará calentamientos locales, fusión del cojinete y fallo catrastófico.

Mediante la utilización de nuevas aleaciones se pudo poner fin a este tipo de fallos, si bien hasta que esto no se consiguió, técnicos de mantenimiento de los buques sufrieron las consecuencias y las navieras las perdidas economicas producidas por este tipo de fallo.

Otra causa de fallo catastrófico se va a producir a causa de los lubricantes, que por

razones

desconocidas

pierden

sus

propiedades

,

dando

como

consecuencia el calentamiento y fusión de los cojinetes y el fallo catastrófico.

Primero hubo que demostrar que la causa estaba en el lubricante, que hasta entonces se había comportado de manera correcta en otros buques semejantes.

Una buena parte de los problemas referentes a los lubricantes tienen que ver con las bacterias que se multiplican en condiciones ambientales de altas temperaturas.

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Las bacterias mas numerosas son las pseudomonas, también hay hongos en poca cantidad y tan solo en pocos casos, la bacteria dominante es el aspergillus fumicatus, que es un organismo filamentoso. Estos organismos necesitan de una “dieta” equilibrada, al menos respecto del carbono, nitrógeno y fósforo, elementos que se encuentran en los aditivos de los aceítes para motores. La actuación de estos microbios en la degradación del aceite y en los procesos de corrosión se expone en los siguientes puntos:

1. Los subproductos generados durante su crecimiento pueden ser corrosivos, por ejemplo, acidos orgánicos, amoniaco y sulfuro de hidrógeno. 2. Disminuyen la tensión superficial y por lo tanto estabilizan el agua en las dispersiones del aceite. 3. Al atacar a algunas de las moléculas que componen el aceite, modifican la viscosidad y la composición química del mismo. 4. Pueden atacar los aditivos del aceite y disminuir así su efectividad. 5. Las concentraciones locales de bacterias agotan el oxígeno de los puntos afectados, causa por la que se producen “picados” de origen anódico debido al gradiente de oxígeno. 6. La existencia física de masas de celulas microscópicas obstruyen los filtros y disminuyen la sección de paso de los conductos y orificios de lubricación.

A partir de la década de los 90 se produjo un crecimiento sensible de los fallos en los sistemas de lubricación de motores marinos a nivel internacional, estableciendose mas tarde que las causas se podían agrupar en siete grupos principales:

1. Las leyes de protección del medio ambiente obligan a la utilización de inhibidores no tóxicos en sustitucion de los cromados, que en concentraciones adecuadas son microbicidas. Los otros tipos de aditivos que los substituyeron son un buen soporte para el desarrollo de la población microbiana y por lo tanto

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pueden contaminar el lubricante cuando inevitablemente se produzcan pérdidas de agua.

2. También se han impuesto los aceites lubricantes con aditivos diversos, la composición de los cuales constituye una “dieta” completa para los microorganismos procedentes de los sistemas de refrigeración. 3. Por otra parte, el componente basico de los lubricantes, el aceite que es un derivado naftalénico del petróleo ha sido sustituido por aceites de la serie parafínica que son menos resistentes al ataque microbiano. 4. No es demasiado frecuente la practica de limpiar los tanques de aceite.

Si se mantienen como es debido se puede evitar la

proliferación de bacterias. 5. También es frecuente que se utilicen purificadores de aceite de dimensiones menores de las que se necesitarían para eliminar las bacterias de manera efectiva, además es frecuente que se monten en posiciones en las que no es posible acceder a las bolsas de bacterias. 6. Las bajas temperaturas de funcionamiento de las máquinas lentas, comportan una baja producción de vapor, lo que aumenta la sensibilidad del lubricante al ataque microbiano. 7. Es muy corriente que la presencia y el crecimiento de una población de bacterias, sobre todo de las que generan sulfuros, pase desapercibida durante mucho tiempo.

Todos estos cambios y circunstancias se han producido de manera natural y justificada técnicamente pero al final se pudieron convertir en una bomba de relojería que pudo haber producido mas daño, de no haber sido por la identificación de estas causas de fallo y por el remedio que se puso tanto por parte de la industria petrolera, fabricante de los lubricantes, como por parte del diseño de los sistemas de lubricación.

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