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Jul 18, 2023

Fallas de silos: historias de casos y lecciones aprendidas por el Dr. John W. Carson

23 de marzo de 2023 | Por Jenike & Johanson Patrocinado por Los silos y contenedores fallan con una frecuencia mucho mayor que la de casi cualquier otro equipo industrial. A veces el fracaso sólo implica distorsión

23 de marzo de 2023 | Por Jenike y Johanson

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Los silos y contenedores fallan con una frecuencia mucho mayor que la de casi cualquier otro equipo industrial. A veces, la falla solo implica distorsión o deformación que, si bien es antiestética, no representa un riesgo operativo o de seguridad. En otros casos, la falla implica el colapso total de la estructura con la consiguiente pérdida de uso e incluso la pérdida de vidas.

Se presentan numerosos casos históricos relacionados con fallas estructurales que ilustran errores comunes y límites del diseño.

Aunque no hay estadísticas disponibles, cientos de silos, contenedores y tolvas industriales y agrícolas experimentan algún grado de falla cada año. [1-3] A veces el fracaso es un colapso estructural completo y dramático. Otras veces el fracaso no es tan dramático ni tan obvio. Por ejemplo, se pueden formar grietas en una pared de hormigón o abolladuras en una carcasa de acero, cualquiera de las cuales puede parecer inofensiva para el observador casual. Sin embargo, se trata de señales de peligro que indican que probablemente sean necesarias medidas correctivas.

El costo económico de la falla de un silo nunca es pequeño. El propietario enfrenta los costos inmediatos de la pérdida de producción y reparaciones, el personal en las cercanías está expuesto a peligros significativos y el diseñador y el constructor enfrentan posibles litigios debido a su exposición a la responsabilidad.

Las principales causas de fallas de los silos se deben a deficiencias en una o más de cuatro categorías: diseño, construcción, uso y mantenimiento. Cada uno de estos se explora a continuación, con ejemplos y lecciones aprendidas.

El diseño de silos requiere conocimientos especializados. El diseñador debe primero establecer las propiedades de flujo del material [4], luego considerar elementos como la geometría del canal de flujo, el desarrollo de flujo y presión estática y los efectos dinámicos. Es necesario evitar problemas como la formación de agujeros y la vibración autoinducida del silo, garantizando al mismo tiempo una descarga fiable al ritmo requerido. Se deben considerar las cargas no uniformes, las cargas térmicas y los efectos de los detalles de fabricación no estándar. Sobre todo, el diseñador debe saber cuándo ser cauteloso ante información incompleta o engañosa, o recomendaciones que provienen de manuales, o de personas con el síndrome de “siempre se ha hecho así”.

Fig. 1, Presiones no uniformes provocadas por la retirada excéntrica

Una vez establecidos los criterios de diseño, debe seguirse un diseño competente. Aquí el diseñador debe tener una apreciación completa de las combinaciones de carga, las trayectorias de carga, los efectos primarios y secundarios sobre los elementos estructurales y la flexibilidad relativa de los elementos. [5,6] Se debe prestar especial atención a cómo se construirán los detalles más críticos de la estructura para que se cumplan todos los requisitos y la intención del diseño.

A continuación se describen cinco de los problemas más comunes que los diseñadores suelen ignorar, junto con algunos ejemplos de cada uno.

Esta es una de las causas más comunes de problemas estructurales de los silos, ya que a menudo se pasa por alto. Se produce cuando el punto de extracción de la tolva no está ubicado en la línea central vertical de un silo circular [7,8], y es particularmente común cuando se utilizan silos con múltiples tolvas en los que solo una o dos de las salidas de la tolva se usan a la vez. tiempo. Si el canal de flujo resultante intersecta la pared del silo, se desarrollarán presiones no uniformes alrededor de la circunferencia del silo, lo que provocará momentos de flexión horizontales y verticales. Consulte la Figura 1. Muchos diseñadores de silos tienen en cuenta incorrectamente estas presiones no uniformes aumentando únicamente la tensión circular. [9,10]

Algunos ejemplos:

Fig. 2, El alimentador de tornillo de paso constante provocó una retirada excéntrica

Un silo de mezcla utilizaba 24 tubos externos para retirar los gránulos de plástico a varias alturas de las secciones de cilindro y cono. Se desarrollaron arrugas significativas en la sección del cilindro encima de varios de los tubos. Las lecciones que se deben aprender aquí son:

Las vigas de soporte, los conos invertidos, los tubos de mezcla y otros tipos de partes internas pueden imponer grandes cargas concentradas y/o presiones no simétricas en la pared de un silo, lo que genera tensiones de flexión inaceptables.

Dos ejemplos:

Lecciones aprendidas:

Fig. 3, Comparación de las presiones normales de la pared debido al flujo de embudo supuesto y al flujo másico real

A veces el flujo másico se desarrolla en silos, que fueron diseñados estructuralmente para flujo en embudo. [4] Incluso si esto no ocurre, el pico de presión local, que se desarrolla donde un canal de flujo en embudo cruza la pared de un silo, puede ser devastador. [6]

En algunas circunstancias, ignorar las propiedades del sólido a granel que se va a almacenar puede ser peor que asumir un patrón de flujo incorrecto. Consideremos, por ejemplo, el diseño de un silo de acero para almacenar carbón. A falta de una muestra de carbón que pueda probarse para formar la base del diseño, el diseñador puede recurrir a un código de diseño frecuentemente citado [12] que enumera el ángulo de fricción de la pared para "carbón sobre acero", sin considerar el tipo de carbón. , su humedad, tamaño de partículas, contenido de cenizas o el tipo de acero, su acabado superficial, etc. Los problemas estructurales y de flujo son comunes cuando se adopta este enfoque de diseño.

Dos ejemplos:

Lecciones aprendidas:

Fig. 4, Comparación de las presiones normales de la pared debido a la supuesta alta fricción de la pared y la baja fricción real

Muchos silos están construidos con paneles metálicos atornillados (generalmente acero o aluminio), mientras que otros están construidos con hormigón armado. Ambos tipos de construcción tienen requisitos de diseño específicos.

Las conexiones atornilladas transfieren cargas a través de varias rutas de carga y pueden fallar en al menos cuatro modos diferentes: corte de pernos, tensión de sección neta, desgarro de orificios y amontonamiento alrededor de orificios de pernos. El modo que da como resultado la carga de falla más baja depende de las características específicas del metal (p. ej., su límite elástico y resistencia a la rotura, espesor), los pernos (p. ej., tamaño, resistencia, si están completamente roscados o no, cuán alto es el torque), el espacio entre los orificios de los pernos. , número de filas de tornillos, etc. [14-16]

También se debe considerar el pandeo por compresión, particularmente si el silo atornillado tiene paredes corrugadas o está construido de aluminio.

La construcción de hormigón armado presenta diferentes problemas [17,18]. El hormigón es fuerte en compresión pero muy débil en tensión. Por tanto, el acero de refuerzo se utiliza para proporcionar resistencia a las tensiones de tracción. Un silo que tiene una sola capa de acero de refuerzo horizontal es capaz de resistir la tensión circular, pero tiene muy poca resistencia a la flexión; por lo tanto, si se producen presiones no uniformes (por ejemplo, debido a un canal de flujo excéntrico), es probable que el silo se agriete. Desafortunadamente, la cara interior de la pared del silo, donde las grietas son difíciles de detectar, es donde es más probable que se produzcan las tensiones máximas de tracción debido a la flexión. Las grietas no detectadas pueden seguir creciendo hasta que el silo esté en peligro de colapso inminente.

Un ejemplo:

Lecciones aprendidas:

Las paredes de los silos metálicos exteriores pueden expandirse durante el día y contraerse durante la noche a medida que baja la temperatura. Si no se produce ninguna descarga y el material dentro del silo fluye libremente, se asentará a medida que el silo se expanda. Sin embargo, no puede ser empujado hacia arriba cuando las paredes del silo se contraen, por lo que resiste la contracción, lo que a su vez provoca mayores tensiones de tracción en la pared. Este fenómeno, que se repite cada día que el material permanece en reposo, se denomina trinquete térmico. [19-23]

Otra condición de carga inusual puede ocurrir cuando la humedad migra entre partículas estancadas o masas de partículas estancadas, que se expanden cuando se les agrega humedad. Si esto ocurre mientras no se está retirando material, se restringe en gran medida la expansión hacia arriba. Por lo tanto, la mayor parte de la expansión debe ocurrir en el plano horizontal, lo que resultará en presiones laterales y tensiones circulares significativamente mayores en las paredes del silo.

Dos ejemplos:

Lecciones aprendidas:

En la fase de construcción, hay dos formas en que se pueden crear problemas. El más común de ellos es la mala mano de obra. La construcción defectuosa, como el uso de materiales inadecuados o la falta de refuerzo adecuado, y el asentamiento desigual de los cimientos son sólo dos ejemplos de este tipo de problemas.

La otra causa de los problemas de construcción es la introducción de cambios mal elegidos, o incluso no autorizados, durante la construcción para acelerar el trabajo o reducir costos.

Es importante realizar una inspección minuciosa del trabajo de los contratistas para garantizar que se sigan las especificaciones de diseño. Esto incluye verificar el uso de pernos correctos (tamaño, resistencia, etc.), tamaño y espaciado correctos de las barras de refuerzo, tipo y espesor especificados de las paredes del silo, etc.

Un ejemplo:

Lecciones aprendidas:

El diseño de los cimientos de los silos no es apreciablemente diferente al de otras estructuras. Como resultado, los asentamientos desiguales son raros. Sin embargo, cuando esto ocurre, las consecuencias pueden ser catastróficas ya que normalmente el centro de gravedad de la masa está muy por encima del suelo.

Ejemplo:

Lecciones aprendidas:

Los cambios no autorizados durante la construcción pueden poner en riesgo la estructura del silo. Detalles aparentemente menores suelen ser importantes para garantizar un tipo particular de patrón de flujo (especialmente flujo másico) o para permitir que la estructura resista las cargas aplicadas.

Ejemplo:

Lecciones aprendidas:

Un silo correctamente diseñado y construido debería tener una larga vida útil. Desafortunadamente, este no es siempre el caso. Pueden surgir problemas cuando las propiedades de flujo del material cambian, la estructura cambia debido al desgaste o surge una condición explosiva.

Si se coloca en un silo un material a granel diferente a aquel para el cual fue diseñado, se pueden formar obstrucciones como arcos y ratoneras, y el patrón de flujo y las cargas pueden ser completamente diferentes de lo esperado. La distribución de la carga también se puede cambiar radicalmente si se realizan modificaciones en la geometría de salida, si se coloca una salida lateral en un silo de descarga central o si se agrega un inserto o constricción para controlar el flujo. Se debe consultar al diseñador o a un experto en silos sobre los efectos de dichos cambios antes de implementarlos.

Cuando un material que fluye mal se coloca en un silo que no fue diseñado para almacenarlo y manipularlo, es probable que se produzcan interrupciones del flujo debido a arcos o perforaciones. A veces, estas obstrucciones se eliminan por sí solas, pero, más a menudo, los operadores tendrán que recurrir a diversos medios (a veces drásticos) para eliminarlas. No importa qué método se utilice, las cargas dinámicas resultantes cuando falla un arco o una ratonera pueden colapsar el silo. [26]

Las vibraciones autoinducidas del silo también pueden dar lugar a cargas dinámicas significativas que la mayoría de los silos no están diseñados para soportar. [27,28] Además, pocos silos, si es que hay alguno, pueden soportar las cargas impuestas por una explosión, ya sea interna o externa.

Dos ejemplos:

Lecciones aprendidas:

Cambiar las propiedades del material o pulir la superficie interior del silo puede provocar que se desarrolle un flujo másico en un silo que fue diseñado estructuralmente para flujo en embudo. (También puede ocurrir lo contrario: flujo en embudo en un silo diseñado estructuralmente para flujo másico, pero esto generalmente no es un problema tan grave). El flujo másico dará como resultado una carga de presión en la pared dramáticamente diferente que con el flujo en embudo, particularmente en la parte superior del silo. la sección de la tolva.

Dos ejemplos:

Fig. 5, Resultado final del flujo másico que se desarrolla en un silo diseñado estructuralmente para flujo en embudo

Lecciones aprendidas:

Un cilindro presurizado es más resistente al pandeo por compresión que uno sin presión. [9] Además, si esta presión es causada por un sólido a granel (a diferencia de un líquido o gas), es aún más resistente. La razón es la siguiente: la presión del gas o del líquido es constante alrededor de la circunferencia de un silo y permanece sin cambios cuando el silo comienza a deformarse. Por otro lado, la presión ejercida por un sólido a granel contra la pared de un silo aumenta en áreas donde las paredes se deforman hacia adentro y disminuye donde las paredes se expanden. Esto proporciona un efecto de restricción significativo una vez que comienza el pandeo.

Ahora considere lo que sucede si se forma un arco a través de la sección del cilindro de un silo y se retira el material que se encuentra debajo de él. No sólo se pierde el efecto restrictivo del sólido a granel, sino que todo el peso del contenido del silo sobre el arco se transfiere a la región ahora sin soporte de las paredes del silo. Cuando esto ocurre, es probable que se produzca un fallo por pandeo.

Ejemplo:

Lecciones aprendidas:

El mantenimiento de un silo es competencia del propietario o usuario y no debe descuidarse. Se requieren dos tipos de trabajos de mantenimiento. El primero es el trabajo preventivo regular, como la inspección y reparación periódica de las paredes y/o el revestimiento utilizado para promover el flujo, proteger la estructura o ambos. La pérdida de un revestimiento puede ser inevitable con un producto abrasivo o corrosivo, pero mantener el revestimiento en condiciones de funcionamiento adecuadas es necesario para que el silo funcione según lo diseñado. Otros ejemplos de elementos de mantenimiento preventivo incluyen respiraderos de techo, sondas de nivel, alimentadores, descargadores y compuertas.

La segunda área de mantenimiento implica buscar signos de deterioro (p. ej., grietas, deformación de la pared, inclinación de la estructura) y reaccionar ante ellos. [29] Si aparecen pruebas de un problema, se debe solicitar inmediatamente la ayuda de expertos. Una respuesta inapropiada a una señal de que algo va mal, incluido el instinto común de bajar el nivel de llenado del silo, puede provocar que se produzca una falla con mayor velocidad y quizás con mayor gravedad.

Las paredes de los silos adelgazadas por la corrosión o la erosión son menos capaces de resistir las cargas aplicadas que cuando eran nuevas. Este es un problema particular cuando se manipulan materiales abrasivos o cuando se utiliza una construcción de acero al carbono en ambientes húmedos o corrosivos. La combinación de los efectos de la abrasión con la corrosión acelera significativamente el problema. Esto puede ocurrir, por ejemplo, con aceros especiales envejecidos. El desgaste abrasivo hace que se elimine la capa superficial, exponiendo así material nuevo y acelerando el proceso de envejecimiento que debilita significativamente la estructura.

Tres ejemplos:

Lecciones aprendidas:

Las fallas de los silos a menudo causan daños importantes y, en ocasiones, provocan la muerte. A menudo, estas fallas podrían haberse evitado o los daños podrían haberse minimizado con información que se podría haber obtenido mediante inspecciones de rutina.

Ejemplo:

Lecciones aprendidas:

Una reacción común ante las señales de deterioro del silo es ignorarlas, a menudo porque el personal desconoce el significado y las consecuencias de hacerlo. Otra reacción común es la curiosidad. Hay personas que han perdido vidas porque, debido a su curiosidad, estaban en el lugar equivocado en el momento equivocado. Incluso si se comprenden las señales de peligro, es común que se tomen medidas inapropiadas en un intento de “reducir” las posibilidades de falla. En algunos casos extremos, se han producido fallos catastróficos en los que, con las medidas adecuadas, el daño podría haber sido relativamente menor.

Dos ejemplos:

Lecciones aprendidas:

Los silos diseñados, construidos, operados y mantenidos adecuadamente proporcionarán una larga vida útil. Cada uno de los casos presentados anteriormente ilustra los efectos de una o más de las posibles deficiencias en el diseño, construcción, uso y mantenimiento. En cada ejemplo, el costo de las reparaciones o reconstrucción, el costo del litigio y el costo del seguro sumaron varias veces el costo de hacer el trabajo correctamente en primer lugar.

El mejor enfoque para el diseño de un silo, contenedor o tolva para materiales a granel es aquel que sea razonado, minucioso, conservador y basado en parámetros medidos. Los ingenieros de diseño no están protegidos legalmente por apegarse a un código de práctica. Por supuesto, el cumplimiento del código aplicable localmente es necesario, pero nunca debe considerarse, por sí solo, como una condición suficiente para la realización de un diseño satisfactorio.

Es responsabilidad del diseñador garantizar que el diseño se base en un conocimiento sólido y completo de los materiales que se manipulan, que el diseño sea competente y que cubra todas las combinaciones de carga previsibles. Es responsabilidad conjunta del diseñador, el constructor y el propietario que la construcción sea de un estándar aceptable y cumpla con la intención del diseño. Entonces es responsabilidad del propietario mantener adecuadamente los componentes estructurales y mecánicos. También es responsabilidad del propietario garantizar que cualquier alteración prevista en el uso, geometría o hardware de descarga, material del revestimiento o cualquier otro parámetro especificado esté precedida por una revisión del diseño con refuerzo aplicado según sea necesario.