Caso de estudio TRIZ – Soldadura de tuberías

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La mejor forma de comprender el potencial de TRIZ es mediante ejemplos reales. Este caso de estudio [1] está centrado en el uso de herramientas específicas de TRIZ para el incremento de la calidad en la soldadura por arco eléctrico durante el mantenimiento de tuberías.

Para la detección de corrosión o pérdida de espesor en tuberías de acero es común el empleo de la técnica no destructiva de Fugas de Flujo Magnético, FFM (MFL, de sus siglas en inglés).

Durante el mantenimiento de tuberías, el dispositivo de FFM recorre el interior de éstas con un potente imán que las magnetiza en sentido axial con una densidad de flujo cercana a la saturación. Al reducirse el espesor de la pared de las tuberías, bien por un defecto, bien por corrosión, una fracción mayor de flujo magnético se escapa por la pared. La dispersión del flujo magnético se detecta por sensores colocados entre los polos del imán y los datos se envían a un dispositivo de registro externo para su análisis.

Cuando se hace necesario eliminar un segmento dañado de la tubería es cuando surgen los problemas: al reemplazarlo con uno nuevo uniendo sus extremos a los dos tramos de tubería mediante soldadura por arco eléctrico, el electrodo y el arco están sujetos a una fuerza que los desvía de la posición correcta.

Este fenómeno se conoce como soplo magnético del arco y es debido a la interacción entre el campo magnético del arco de soldadura y el campo magnético residual, lo que puede originar una soldadura de baja calidad.

Se ha encontrado una solución a este problema utilizando varias herramientas de TRIZ, principalmente ARIZ (Algoritmo para la Resolución de Problemas de Inventiva), y se ha verificado su eficacia a través de simulación por elementos finitos y con pruebas de campo.

Metodología

Para el análisis y búsqueda de ideas de solución del reto planteado se han utilizado varias herramientas como el Análisis de Funciones (FA, en inglés), el Análisis de Cadenas de Causa-Efecto (CECA, en inglés) y ARIZ (Algoritmo para la Resolución de Problemas de Inventiva).

De esta forma, las dos primeras herramientas, FA y CECA, se emplean para analizar el reto general y detectar el problema clave, y ARIZ para la búsqueda de las mejores propuestas de solución (Figura 1).

Nota: Una alternativa al Análisis de Cadenas de Causa Efecto (CECA) es el Análisis de Conflicto Raíz (RCA+) que aparece en el enlace arriba indicado.

Proceso de resolución del problema soldadura de tuberías

Figura 1. Proceso de resolución del problema de soldadura en tuberías. Fuente [1]. 

Planteamiento del problema

Situación inicial del problema

De manera resumida se puede decir que el dispositivo de FFM (Fugas de Flujo Magnético) utiliza un potente imán permanente para magnetizar las paredes de tuberías de acero (material ferromagnético) con una densidad de flujo cercana al nivel de saturación, mientras viaja a lo largo de ellas.

La fuga del campo magnético en la zona que presenta algún defecto o corrosión se detecta por sensores magnéticos en el dispositivo FFM. Después de localizada la parte dañada, el segmento se corta y se reemplaza por uno nuevo soldando a la tubería existente; los técnicos de soldadura en el lugar de trabajo suelen tener dificultades para mantener el arco por estar sujeto a la fuerza generada por la interacción entre el campo magnético del arco de soldadura y el campo magnético residual, produciendo cordones de soldadura de baja calidad.

En concreto, para este problema las tuberías estaban fabricadas en acero al carbono API 5L grado X42, con un diámetro exterior de 6 pulgadas y un espesor de pared de 6,35 mm.

Para la unión de las tuberías se empleó soldadura por arco eléctrico con electrodo protegido (SMAW, en inglés) y máquina de soldar de CC con electrodo positivo (DCEP, en inglés).

La varilla de soldadura tenía un diámetro de 3,2 mm y la corriente de soldadura se encontraba en el rango de 90-130 A. La unión de soldadura en las tuberías se preparó con bordes biselados de modo que, al colocar los extremos a una distancia aproximada de 1/16 de pulgada, se formaba una ranura en V (75 grados) alrededor de la junta donde se aplica el metal de soldadura.

Análisis de Funciones y Análisis de Cadenas de Causa-Efecto

El proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo protegido se puede describir de la siguiente manera: la fuente de energía eléctrica suministra corriente al electrodo a través de la pinza de soldadura; la corriente fluye a través del arco hacia la tubería y regresa a la fuente de energía a través de la abrazadera y cable de conexión a tierra.

El arco se inicia rascando el electrodo de soldadura contra la tubería para crear un cortocircuito donde el flujo de corriente genera una alta temperatura en el punto de contacto. Cuando el electrodo de soldadura se aleja de la tubería, el calor y el campo eléctrico en el punto de contacto harán que el aire entre el electrodo y la tubería se ionice y se vuelva conductor. La corriente fluirá a través del plasma conductor, haciendo que se mantenga el arco. El calor del arco funde el electrodo de soldadura para crear un cordón de que une las partes inicialmente separadas.

Los componentes del sistema de soldadura de tuberías se detallan en la Tabla 1.

Tabla 1. Componentes del sistema de soldadura de tuberías. Fuente [1].

Sobre la base de los componentes del sistema técnico y del supersistema (aquello que se encuentra fuera del sistema), se crea un modelo para analizar las interacciones o funciones que existen entre los componentes del sistema de soldadura de tuberías.

Se encuentra que el flujo de corriente entre el electrodo y el arco genera un campo magnético a su alrededor que interactúa con el campo magnético residual en la tubería causado por el dispositivo de FFM como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Modelo de funciones del sistema de soldadura de tuberías. Fuente [1].

Por otra parte, el Análisis de Cadenas de Causa-Efecto (CECA) se emplea para analizar la causa raíz del problema. El reto que se quiere solucionar es la baja calidad de la soldadura. En este caso se identifican al dispositivo de FFM circulando por la tubería y el flujo de corriente en el arco como las desventajas clave o causas raíz (ver Figura 3). Lo anterior sugiere un cambio en el sistema de inspección o en el sistema de soldadura.

Dado que es difícil cambiar, tanto el sistema de inspección como el de soldadura, las causas raíz pasan a ser las vinculadas directamente con las anteriores: el flujo magnético residual en la tubería y el campo magnético alrededor del arco; estas dos causas se combinan para crear un desequilibrio magnético alrededor del arco, que es el origen del desvío de la posición correcta del arco y, por tanto, de la baja calidad de la soldadura.

Diagrama CECA para problema de soldadura de tuberías

Figura 3. Diagrama CECA. Fuente [1].

Resolución del problema con ARIZ

Antes de mostrar cómo ha sido la secuencia de búsqueda de soluciones con ARIZ, vamos a ver de forma muy resumida en qué consiste esta herramienta de TRIZ; bueno, en realidad más que una herramienta es un conjunto de herramientas de TRIZ aplicadas en forma de algoritmo para reducir, de forma progresiva, la inercia mental en la resolución de problemas técnicos complejos.

ARIZ es el acrónimo en ruso de Algoritmo para la Resolución de Problemas de Inventiva; está fundamentado en una sucesión de procedimientos lógicos para analizar una situación o problema inicial poco o mal definido y transformarlo en una contradicción técnica diferente.

La definición de la contradicción técnica conduce a la formulación de una contradicción física cuya eliminación se realiza con la ayuda de los Principios de Separación, y por medio de la utilización máxima de los recursos del sistema que se está analizando [2].

La versión de ARIZ utilizada es la última aprobada por G. Altshuller (ARIZ 85C) y considerada la versión oficial. Consta de 9 partes, cada una de ellas dividida en una serie de pasos.

Para no alargar excesivamente esta entrada del blog, no se presenta el desarrollo de todas las partes del algoritmo. Si quieres aprender a utilizar ARIZ (en su versión completa) y resolver los retos técnicos a los que te enfrentas ponte en contacto.

Parte 1. Definición del problema

Paso 1.1 Formulación del mini problema

El sistema de soldadura de tuberías tiene la función principal de unir las tuberías después de reemplazar el segmento defectuoso o corroído con uno nuevo. El sistema consta de componentes principales tubería, máquina de soldar, electrodo, arco y campo magnético residual.

El mini problema se formula de la siguiente manera:

“Es necesario, con cambios mínimos en el sistema, mantener el campo magnético residual para detectar la parte defectuosa o corroída de la tubería durante el proceso de inspección no destructiva sin desviar el arco durante el proceso de soldadura”.

Paso 1.2 Definir el par en conflicto

Los elementos en conflicto incluyen productos y herramientas que se definen de la siguiente manera:

Productos: detección de la parte defectuosa o corroída y arco desviado.

Herramienta: campo magnético residual.

Paso 1.3 Construir modelos gráficos para las contradicciones técnicas

Las contradicciones técnicas (CT) se formulan de la siguiente manera:

CT-1: Si el campo magnético residual es fuerte, es fácil detectar la parte corroída, pero el arco se desviará.

CT-2: Si el campo magnético residual es débil, el arco se puede posicionar correctamente, pero es difícil detectar la parte corroída.

Los modelos gráficos para CT-1 y CT-2 se construyen como se muestra en la Figuras 4 (a) y (b).

Modelos gráficos de las CT para el problema de soldadura de tuberías

Figura 4. Modelos gráficos de las contradicciones técnicas: (a) CT-1 y (b) CT-2 Fuente [1].

Paso 1.4 Seleccionar un modelo gráfico para su posterior análisis

Teniendo en consideración que la función principal del sistema técnico es unir las tuberías con una buena calidad de soldadura, el arco no debe desviarse por el campo magnético residual. Por lo tanto, debemos elegir CT-2, la cual establece que, con un campo magnético residual débil, el arco se puede posicionar correctamente, pero se dificulta la detección de la parte de corroída.

Lo anterior no es posible sin cambiar el mecanismo del dispositivo de FFM, superando la definición del mini problema del paso 1.1. Por lo tanto, tratamos de ver el problema desde otra perspectiva.

Se selecciona CT-1 como modelo gráfico para su posterior análisis. En este caso, con un campo magnético residual fuerte es fácil detectar la parte de corroída, pero el arco se desviará. De esta forma, intentamos resolver el problema de eliminar el efecto nocivo del campo magnético residual en los siguientes pasos.

Paso 1.5 Intensificar el conflicto

Para no comprometer (compensar) la función útil con efectos nocivos, intensificamos el conflicto al considerar que el «Campo magnético residual fuerte» se reemplaza por un «Campo magnético residual muy fuerte» en la CT-1, como se muestra en Figura 5 (a).

Paso 1.6 Formular el modelo del problema

“Encontrar un elemento «X» que mantenga la característica del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída durante el proceso de inspección no destructiva de una tubería, al tiempo que se evita la desviación del arco durante el proceso de soldadura”, como se muestra en la Figura 5 (b).

Figura 5. Intensificación del conflicto (a) y nuevo modelo del problema (b). Fuente [1].

Paso 1.7 Aplicar los Estándares de Inventiva

En este paso, el problema se analiza utilizando modelos Su-Field (Sustancia-Campo) y los Estándares de Inventiva para encontrar el elemento «X»:

El modelo inicial se crea con S1 (tubería) como objeto, S2 (arco) como herramienta, F1 como campo magnético residual y F2 como corriente de soldadura. Al soldar tuberías con la corriente de soldadura (F2) a través del arco (S2), el campo magnético residual (F1) causa un efecto perjudicial al ejercer una fuerza a través de la tubería para desviar el arco. La función útil (soldadura) se vuelve insuficiente (línea discontinua) como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Modelo Su-Field del problema. Fuente [1].

Para eliminar el efecto nocivo en el sistema, se propone utilizar el Estándar de Inventiva 1.2.5, que establece la “desactivación” de un campo magnético como se muestra en la Figura 7.

Si es necesario eliminar el efecto nocivo de un campo magnético se pueden aplicar principios físicos que son capaces de “desactivar” las propiedades ferromagnéticas de las sustancias, por ejemplo, desmagnetizando mediante un impacto o al producir un calentamiento por encima del punto de Curie.

Estándar de Inventiva 1-2-5 para el problema de soldadura de tuberías

Figura 7. Estándar de Inventiva 1.2.5: “Desactivación” de un campo magnético. Fuente [1].

La solución estándar 1.2.5 nos da una pista para encontrar otros campos que permitan eliminar el campo magnético residual que se produce en la tubería. Algunas ideas propuestas:

Idea 1: Usar un campo térmico: calentar la tubería por encima del punto de Curie para que pierda sus propiedades ferromagnéticas.

Idea 2: Usar campo mecánico: golpear la tubería con un martillo. Esto podría eliminar la alineación del campo magnético residual en la tubería.

Idea 3: Usar un campo magnético: emplear un imán permanente sobre la tubería. Esto podría “desmagnetizar” el campo magnético residual en la tubería.

Idea 4: Usar un campo eléctrico: utilizar un solenoide de corriente alterna para alterar el orden del dipolo magnético. Esto podría destruir la alineación del campo magnético residual en la tubería.

Evaluación:

Después de hacer una prueba de campo se encontró que todos los métodos propuestos en las ideas anteriores no son prácticos para su implementación. Aunque se pueden aplicar a un pequeño imán, una tubería de acero magnetizada es demasiado grande para emplear los métodos de calentamiento, martilleo, magnetización o uso de un solenoide de corriente alterna con el fin de eliminar el campo magnético residual en la tubería.

Parte 2. Análisis del modelo del problema

Como el problema no ha sido resuelto en la Parte 1, se sigue adelante con la Parte 2 de ARIZ.

Paso 2.1 Definir la zona operativa (ZO)

En el problema del sistema de soldadura de tuberías, la zona operativa se define como el lugar alrededor del área de soldadura entre el electrodo y la tubería.

Paso 2.2 Definir el tiempo operativo (TO)

En el problema del sistema de soldadura de tuberías, el tiempo operativo se define como la suma del período de tiempo antes de la soldadura (T1) y el período de tiempo durante la soldadura (T2), produciéndose el conflicto durante este último como se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Tiempo operativo. Fuente [1].

Paso 2.3 Definir los recursos sustancia-campo

La idea principal de usar recursos sustancia-campo es emplear para la resolución del problema cualquier cambio en los parámetros de los recursos existentes en el sistema, tanto de campos como de sustancias (incluido el entorno natural). De esta forma, se crea una lista de recursos con sus parámetros como se muestra en la Tabla 2.

Tabla 2. Recursos sustancia-campo. Fuente [1].

Parte 3. Formulación del Resultado Final Ideal y de la contradicción física

Paso 3.1 Escribir el formulado para el RFI-1

El Resultado Final Ideal (RFI) se utiliza para definir el problema a resolver buscando el máximo grado de “idealidad”. El Resultado Final Ideal al introducir el elemento X se define de la siguiente manera:

“Sin complicar el sistema ni causar efectos perjudiciales, el elemento «X» elimina el efecto dañino del campo magnético residual muy fuerte que desvía el arco durante el tiempo operativo dentro de la zona de conflicto, preservando la capacidad del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída de la tubería durante el proceso de inspección no destructiva”, como se muestra en la Figura 9.

Resultado Final Ideal 1 para problema de soldadura de tuberías

Figura 9. Resultado Final Ideal (RFI-1). Fuente [1].

Paso 3.2 Intensificar el formulado para RFI-1

Se intensifica el formulado para RFI-1 mediante la introducción del requisito adicional que implica obtener el elemento X de los recursos sustancia-campo. En este caso, se considera primero el «campo magnético de la corriente de soldadura» (intensidad y dirección) para reemplazar el elemento X; de esta forma:

RFI-1 intensificado: “Sin complicar el sistema ni causar efectos perjudiciales, el «campo magnético de la corriente de soldadura» con la intensidad y dirección adecuadas elimina el efecto dañino del campo magnético residual muy fuerte que desvía el arco durante el tiempo operativo dentro de la zona de conflicto, preservando la capacidad del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída de la tubería durante el proceso de inspección no destructiva”, como se muestra en la Figura 10.

Resultado Final Ideal 1 intensificado para problema de soldadura de tuberías

Figura 10. Formulado intensificado para el RFI-1. Fuente [1].

Paso 3.3 Formular la contradicción física en el nivel macro

La contradicción física (CF) en el nivel macro se formula de la siguiente manera:

“El «campo magnético de la corriente de soldadura» debe tener una intensidad y dirección adecuadas durante la soldadura para eliminar el efecto nocivo del campo magnético residual muy fuerte, y no debe tener una intensidad y dirección adecuadas antes de la soldadura para preservar la capacidad del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída de la tubería”, como se muestra en la Figura 11.

Contradicción física en el nivel macro para problema de soldadura de tuberías

Figura 11. Contradicción física en el nivel macro. Fuente [1].

Paso 3.4 Formular la contradicción física en el nivel micro

La contradicción física para el nivel micro se formula de la siguiente manera:

“Los «electrones libres» deben fluir alrededor de la tubería en la zona de conflicto para crear la intensidad y dirección adecuadas del campo magnético de la corriente de soldadura durante la soldadura para eliminar el efecto nocivo del campo magnético residual muy fuerte, y no deben fluir alrededor de la tubería en la zona de conflicto antes de la soldadura para preservar la capacidad del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída de la tubería”, como se muestra en la Figura 12.

Figura 12. Contradicción física en el nivel micro. Fuente [1].

Paso 3.5 Escribir el formulado para el RFI-2

El Resultado Final Ideal (RFI-2) de la contradicción física para el nivel micro se formula de la siguiente manera:

RFI-2: “Los «electrones libres» deben, por sí mismos, fluir alrededor de la tubería en la zona de conflicto para crear la intensidad y dirección adecuadas del campo magnético de la corriente de soldadura durante la soldadura para eliminar el efecto nocivo del campo magnético residual muy fuerte, y deben ser, por sí solos, neutralizados antes de la soldadura para preservar la capacidad del campo magnético residual muy fuerte para detectar la parte corroída de la tubería”.

Paso 3.6 Resolver el nuevo problema utilizando los Estándares de Inventiva

En este paso se intenta resolver el problema planteado en el paso 3.5 una vez más con el Estándar de Inventiva 1.2.5 (como en el paso 1.7) empleando el campo magnético de la corriente de soldadura como recurso para generar ideas.

Idea 5: Usar el «campo magnético de la corriente de soldadura».

El campo magnético de la corriente de soldadura es un recurso derivado del sistema y puede utilizarse para contrarrestar el campo magnético residual en la tubería de forma local, en la zona de soldadura durante el tiempo de soldadura. Al enrollar el cable de alimentación del electrodo y el cable de conexión a tierra alrededor de la tubería cerca de la zona de soldadura, con la cantidad de vueltas y dirección adecuadas, los electrones libres, por sí solos, fluirán alrededor de la tubería en la zona de conflicto para crear la intensidad y dirección adecuadas del campo magnético durante la soldadura tan pronto como se inicia el arco, y durante el proceso de inspección no destructiva antes de la soldadura, no fluye ningún electrón libre alrededor de la tubería, preservando así la capacidad del campo magnético residual para detectar la parte corroída de la tubería.

Aunque utilizamos la misma solución estándar 1.2.5 que en el paso 1.7, la diferencia radica en que con todos los recursos de sustancia-campo disponibles, podemos tener una visión más profunda de la que teníamos inicialmente. Además, el Principio Inventivo de TRIZ Número 3, «Calidad local» nos ayuda a superar nuestra inercia psicológica “indicándonos” que es posible desmagnetizar la zona de soldadura localmente, en lugar de desmagnetizar toda la tubería.

También se buscan otras ideas volviendo al paso 3.2 y reemplazando el elemento X con otros recursos de sustancia-campo como el “calor de la corriente de soldadura”; si repetimos el proceso de la parte 3 nuevamente aparece la idea de calentar la zona de soldadura localmente, lo que podría neutralizar sus propiedades ferromagnéticas (Idea 6).

También es posible ir más allá utilizando otras partes de ARIZ para movilizar recursos y aplicar las bases de conocimiento de TRIZ (Catálogo de Efectos Científicos) con la idea de emplear el modo de corriente alterna (CA) de la máquina de soldar existente para crear un campo magnético alternativo en la zona de soldadura que eliminaría la alineación del campo magnético residual en la tubería de forma local (Idea 7).

En este caso, la idea 5 empleando el «campo magnético de la corriente de soldadura» para contrarrestar el campo magnético residual en la tubería se considera la más adecuada y se adopta como una solución potencial para ser evaluada con simulación por elementos finitos y prueba de campo.

Solución

El cable de alimentación del electrodo y el cable de conexión a tierra se pueden enrollar alrededor de la tubería para generar un campo magnético constante a través de la zona de soldadura. Con la intensidad y dirección adecuadas del campo magnético, se puede reducir el campo magnético residual a través de la zona de soldadura al nivel de no causar efectos perjudiciales que desvíen el arco y que son el origen de una soldadura de baja calidad (ver Figura 13).

Solución potencial para el problema de soldadura de tuberías

Figura 13. Solución potencial (CMR significa “campo magnético residual” y CMCS quiere decir “campo magnético de la corriente de soldadura”). Fuente [1].

Simulación y prueba de campo

Para la simulación del campo magnético se ha utilizado el software de modelado por elementos finitos magnéticos (FEMM, en inglés), a través de un modelo de simetría axial de la tubería con bordes en V y las bobinas de cable. El modelo de tubería se divide en 3 partes con el nuevo segmento, que no tiene campo magnético residual, en el medio. Las otras 2 partes de la tubería de acero en ambos extremos tienen un campo magnético residual y actúan como imanes permanentes.

El resultado de la simulación del campo magnético sin bobinas de compensación (cables) muestra una gran cantidad de flujo magnético que se escapa por la ranura en V como se muestra en la Figura 14 (a). Con bobinas de compensación adecuadas (cables), la simulación del campo magnético muestra una reducción en la cantidad de flujo magnético que se escapa por la ranura en V como aparece en la Figura 14 (b).

Figura 14. Resultados simulación campo magnético: (a) sin compensación y (b) con compensación. Fiuente [1].

Los campos magnéticos en la ranura en V se calculan para diferentes posiciones:

  • Bvs: en el nivel de la superficie de la tubería de la ranura en V.
  • Bvm: en el medio de la ranura en V.
  • Bvr: en el medio del cordón de raíz en la ranura en V.

Siendo la corriente de soldadura y el número de vueltas los parámetros. Los resultados se muestran en forma de tabla y gráfico en la Figura 15.

Tabla y gráfico de los campos magnéticos resultantes en la ranura en V

Figura 15. Tabla y resultados de los campos magnéticos en la ranura en V. Fuente [1].

La Figura 15 muestra que los campos magnéticos en diferentes ubicaciones de la ranura en V varían linealmente con la fuerza magnetomotriz (intensidad de corriente x número de vueltas). Con una fuerza magnetomotriz baja, están poco compensados, mientras que, con una fuerza magnetomotriz alta, están demasiado compensados.

Según el gráfico de la Figura 15, 1.500 A/vuelta es el valor apropiado de la fuerza magnetomotriz que mantendría los campos magnéticos en la ranura en V por debajo de 30 Gauss, para que no provoquen un desvío del arco.

En la prueba de campo, se utilizó una fuerza magnetomotriz de 1.500 A/vuelta con una configuración de 100 A y 15 vueltas de bobina de cable a ambos lados de la zona de soldadura. Esta prueba mostró que la fuerza ejercida sobre el arco desaparece y no hay desviación de este, ajustándose a la simulación del campo magnético y justificando la idea generada con ARIZ.

Referencias

  1. T. Benjaboonyazit, “Systematic Approach to Problem Solving of Low Quality Arc Welding during Pipeline Maintenance Using ARIZ (Algorithm of Inventive Problem Solving)”; Engineering Journal, Volumen 18, Edición 4; octubre 2014.
  2. V. Souchkov, “Glossary of TRIZ and TRIZ-related Terms – Version 1.2”; MATRIZ, The International TRIZ Association; 2018.
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