ANALISIS_DE_CAUSA_RAIZ_DE_FALLAS_EN_PELLETIZADO_EN

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Congreso SAM/CONAMET 2007 San Nicolás, 4 al 7 Septiembre de 2007 
 
ANALISIS DE CAUSA RAIZ DE FALLAS EN PELLETIZADO EN UNA PLANTA 
PETROQUIMICA 
 
A. Márquez(1), A. Ibarra Pino(2) y P. Barcia (3) 
 
(1) Departamento de Ingeniería Mecánica-Facultad de Ingeniería 
Universidad Nacional de Mar del Plata - INTEMA 
Av. J. B. Justo 4302 (7600) Mar del Plata, Argentina 
(2) GIE S.A. Consultora de Ingeniería 
Galicia 52, Mar del Plata, Argentina. www.giemdp.com.ar 
(3) PBBPolisur, Dow Co. Bahía Blanca, Argentina 
E-mail: marques@fi.mdp.edu.ar 
 
RESUMEN 
A partir de la paulatina aparición de defectos en el conformado de los pellets en la última etapa del proceso 
de fabricación de polietileno, se realizó un análisis de causa raíz de las anormalidades. Se identificó como 
causa más probable al desgaste superficial prematuro de la plaqueta de pelletizado, la que fue reemplazada 
durante la siguiente parada programada de planta. 
Se evaluaron las razones operativas, de construcción y diseño que pudieron haber afectado su resistencia o 
favorecido la ocurrencia de daño durante el servicio. Se estudió la morfología de los defectos superficiales y 
la estructura micrográfica mediante métodos no destructivos. Se modeló la dinámica de las cuchillas en el 
medio acuoso para evaluar la distribución de presiones dentro de la cámara de pelletizado. Se determinó 
que el principal mecanismo de falla fue la erosión por cavitación dentro del la cámara de corte. 
El proceso se vio favorecido por la estructura metalográfica de la plaqueta, con porosidad elevada, típica 
del proceso de sinterizado. La presencia de intersticios posibilita la nucleación de micro burbujas partícipes 
en el proceso de erosión-cavitación. Se recomendó controlar la terminación superficial y la porosidad de las 
plaquetas rectificadas o reconstruidas. 
 
Palabras clave: Polímeros, Análisis de Causa Raíz, Modelado mecánico. 
 
1. INTRODUCCIÓN 
La relevancia de este estudio está definida por la progresiva aparición de defectos en la morfología de los 
pellets producidos por una de las empresas líder en la fabricación de polietileno. Uno de los defectos 
frecuentes es la generación de pellets con “colas” de polímero, la mayoría de ellas se desprende y se acumula 
en el sistema de agua, una menor cantidad llega al usuario en los pellets. Puesto que la apariencia física y 
geométrica del producto se considera como una indicación de la calidad del mismo, la gerencia de 
Mantenimiento de Planta realizó un análisis de causa raíz de las anormalidades. Se determinó que existía un 
desgaste severo en la plaqueta pelletizadora que había estado en servicio durante dos años, por cuanto se 
procedió a su reemplazo. 
La plaqueta de pelletizado, de tipo de corte axial, está construida mediante sinterización de carburo de 
tungsteno, Figura 1. Es una placa con múltiples orificios a través de la cual se fuerza a pasar al polímero en 
estado pastoso. El corte se realiza con cuchillas que rotan sobre un eje axial y cuyo filo es mantenido en 
contacto con la plaqueta mediante un dispositivo de ajuste manual. La plaqueta posee un sistema de 
calefacción mediante vapor que permite mantener óptimas las propiedades físicas del producto extruido. La 
cámara donde se encuentran las cuchillas, está inundada con agua presurizada a efectos de refrigerar y 
endurecer los pellets y efectuar el transporte del producto vía húmeda. 
 
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Figura 1. Apariencia de la plaqueta de peletizado. 
 
2. CARACTERIZACIÓN DE DEFECTOS 
El mecanismo según el cual el pellet es cortado, está relacionado con la temperatura a la que se produce el 
corte y a las propiedades del material a esa temperatura. Esto conduce a un corte en forma plástica, el 
quebrado por la acción de la cuchilla o un mecanismo combinado. Observando fotomacrografías del tamaño 
y forma del pellet generado se puede distinguir en la zona de corte del mismo una arista o bisel (Detalle A, 
Figura 1) y una zona de rechupe en la cara de corte (Detalle B, Fig. 1) producido por el posterior 
enfriamiento del núcleo del pellet. 
La región de la arista suele presentar un defecto muy definido en su forma llamado comúnmente cola 
(Detalle C, Fig. 1). A medida que el deterioro de la placa progresaba las colas tomaron una apariencia 
ramificada, defecto conocido como desfribilado o pelusa. Estos análisis preliminares permitieron determinar 
como causa más probable al desgaste prematuro de la plaqueta de pelletizado. 
 
 
Figura 1. Morfología de los Pellets. Figura 2. Desbibrilado de los Pellets. 
 
Se efectuó la inspección visual de la plaqueta y la cuchilla. Se caracterizaron los defectos en la superficie de 
corte de la plaqueta en función de su morfología: 
 
A 
C
B
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1. Superficie lisa y brillante con leves estriaciones en la dirección tangencial que se corresponde en su 
ancho con la parte en contacto con el filo de las cuchillas, Detalle A Figura 3. 
2. Fisuras que interconectan los agujeros en direcciones aleatorias, Detalle B Figura 3. 
3. Escoriaciones con pérdida de material en el borde adyacente a los agujeros, Detalle C Figura 3. 
4. Escoriaciones con pérdida de material en correspondencia con los agujeros y en dirección 
perpendicular a las filas, a una distancia que varía en función de la posición relativa dentro de la 
plaqueta, Detalle D Figura 3. 
5. Fisuras que recorren la superficie de la plaqueta en diferentes direcciones, preferencialmente en 
forma radial, y a lo largo de la línea de los agujeros, Figura 4. 
 
 
Figura 3. Morfología de los defectos evaluados. Figura 4. El patrón principal de las fisuras es radial. 
 
3. CARACTERIZACIÓN MICROGRÁFICA 
A efectos de determinar la morfología de los defectos y su interacción con las características del material de 
la plaqueta se procedió a analizar su microestructura utilizando un microscopio de campo y mediante réplicas 
metalográficas cuando no fue posible la inspección directa. En la Figura 5 se muestra la estructura granular, 
típica del proceso de sinterizado donde se puede apreciar la abundante porosidad (Detalle A), el patrón de 
desgaste por contacto con las cuchillas (Detalle B) en una región cercana al borde de la criba (Detalle A). La 
micrografía de la réplica metalográfica de la Figura 6 presenta un patrón similar a la de la Fig. 4. 
 
 
Figura 5. Estructura de la plaqueta (regla 0.02 mm). Figura 6. Réplica metalográfica. 
 
C 
A 
B
D 
C 
A 
B 
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4. EVALUACIÓN DEL FLUJO Y DE LAS PRESIONES EN EL MEDIO ACUOSO 
Puesto que la morfología de los defectos es compatible con el proceso de erosión por cavitación, se procedió 
a evaluar el estado de velocidades y presiones generadas por las cuchillas en un medio fluido mediante un 
modelo bidimensional en el que se consideró una velocidad de giro del rotor de 900 RPM. 
Se modelaron dos situaciones, la primera con la cuchilla efectuando un corte razante a la plaqueta y la 
segunda considerando una separación de la plaqueta de 0.1 mm que permite al fluido desplazarse entre la 
plaqueta y la cuchilla. Las propiedades del medio y dimensiones de la cuchilla se obtuvieron de los registros 
y planos correspondientes. Los resultados no mostraron diferencias significativas y en ambos casos la 
presión relativa a lo largo de una línea de flujo se eleva y cae a valores que no permiten descartar la 
posibilidad de cavitación, Figura 7. 
 
 
Figura 7. Perfil típico de presiones dentro de la cámara de corte 
 
La presurización de la cámara de corte se debe a la columna de líquido de 10 m aproximadamente, en este 
entorno de presión el pasaje de la cuchilla genera presiones que son menores que la tensión de vapor del 
liquido a la temperatura de la cámara. A lo largo de la línea de fluido que pasa por debajo de la cuchilla el 
liquido pasa de la presión estática de presurización a una zona de baja presión inmediatamente detrás de la 
cuchilla y luego nuevamente a una zona de mayor presión. Debido a este proceso se generan burbujas de 
vapor que colapsan cerca dela superficie de la plaqueta de corte. La erosión por colapso de burbujas ocurre 
primeramente como una fractura por fatiga, debido a la repetición de implosiones sobre la superficie, seguida 
de desprendimiento de material. La mayor ocurrencia del la erosión en concordancia con los agujeros de la 
placa esta asociada al corte de los pellets, ya que al producirse la fractura de los mismos se genera una zona 
de baja presión debajo de los ellos. 
 
3. PRUEBA DE ESTANQUEIDAD 
La plaqueta corte se puede reconstruir mediante el rectificado de la capa de material sinterizado superficial o 
bien mediante la reposición total del la misma. Para determinar la aptitud de la pieza para ser reparada se 
realizó una prueba hidráulica de la cámara de vapor, en la que se encontró una fisura que permitiría el pasaje 
de vapor a la cámara de corte. 
 
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
Las estriaciones en la dirección tangencial, de aspecto liso y brillante en la plaqueta (Detalle A, Fig. 3) se 
corresponden en su ancho con la parte desgastada del filo de las cuchillas, por lo que se puede inferir que son 
producidas por el contacto entre ambos componentes y no deben ser consideradas como defectos 
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significativos, ya que no afectan la integridad de la plaqueta ni el normal funcionamiento de la misma. El 
borde de corte de los agujeros de la plaqueta presenta una arista bien definida y la forma microscópica del 
mismo no está afectada por lo que se descarta el efecto de desgaste por la acción erosiva del producto. 
Las fisuras que recorren la superficie de la plaqueta en distintas direcciones (Detalle B, Fig. 3) se deben al 
estrés térmico producido por la acción de la calefacción interna de la plaqueta y la acción externa del agua de 
refrigeración del corte. Las mismas son comunes en las plaquetas con uso y no afectan el funcionamiento de 
la plaqueta ni la integridad de la misma en la medida que no propaguen hacia el interior. 
Las escoriaciones con pérdida de material en el borde adyacente a los agujeros (Detalle C, en Fig. 3) y las 
ecoriaciones con pérdida de material en correspondencia con los agujeros y en dirección perpendicular a las 
filas, (detalle D, Fig. 3) presentan la morfología propia del arranque de material por cavitación. Se reconoce 
como mecanismo de falla principal la erosión por cavitación, generado por la acción del agua dentro de la 
cámara de corte. Este mecanismo está al asociado al efecto dinámico de las cuchillas y a la acción de corte 
del pellet ya que el patrón de erosión sigue al del agujereado de la plaqueta. 
Un factor importante en la iniciación o nucleación son las micro burbujas que se alojan en los intersticios 
dentro de las paredes, o bien suspendidas dentro del seno de la masa líquida. Estas micro-burbujas se 
originan como remanentes de burbujas que colapsaron anteriormente, las que persisten debido a la escasa 
solubilización son casi imposibles de eliminar de la masa líquida. Este tipo de discontinuidad en el seno del 
líquido provee de nuevos nucleadores iniciales para la cavitación por lo que el recirculado crea un círculo 
vicioso. Para disminuir el efecto de la presencia de estos iniciadores se suele aumentar el tiempo de 
residencia a elevada presión durante el retorno del recirculado de agua o bien se provee a la instalación de 
deaireadores que reduzcan la presencia de aire. 
No se pudo determinar si la porosidad de la plaqueta es función de la profundidad ya que no se hicieron 
ensayos destructivos, pero se especula con la posibilidad de que sí sea si la capa de WC se deposita por 
sinterizado. El remecanizado de la superficie expondría una mayor porosidad agravando el mecanismo 
descripto por lo que debe limitarse la remoción por lapidado a una capa delgada asegurando una baja 
rugosidad. La posibilidad de fuga de vapor hacia la zona de corte pudo haber modificado localmente la 
temperatura del agua y colaborado con el proceso de cavitación. 
En la zona de corte del pellet también se producen fuertes depresiones en seno del líquido refrigerante. El 
mecanismo según el cual el pellet es cortado, también puede variar ya sea que este es cortado en forma 
plástica, quebrado por la acción de la cuchilla o un mecanismo combinado. Esto esta relacionado con la 
temperatura de transición del producto, pero su influencia en el proceso de iniciación de burbujas no esta 
claramente definido y la característica de forma y tamaño del pellet dependen de este parámetro y 
comercialmente no seria conveniente modificarlo. 
La cantidad de solutos en el agua es favorecedora del proceso de erosión-cavitación en la medida que estos 
disminuyen la tensión de vapor, así como las partículas de precipitados conforman nucleadores o iniciadores 
de las burbujas, por lo que al disminuir el contenido en sales del agua podría mitigar el efecto de nucleación. 
 
4. CONCLUSIONES 
Se determinaron las causas del desgaste prematuro de la plaqueta de pelletizado, se analizaron las razones 
operativas, de construcción y diseño que pudieron haber afectado su resistencia o favorecido la ocurrencia de 
daño durante el servicio. Se estudió la morfología de los defectos superficiales y la estructura micrográfica 
mediante métodos no destructivos y se modeló la dinámica de las cuchillas en el medio acuoso, en una 
sección bidimensional y sin cambio de fase, para evaluar el efecto de la presión dentro de la cámara. 
Se reconoce como mecanismo de falla principal la erosión por cavitación dentro del la cámara de corte. La 
presencia de intersticios y porosidad de las paredes permite que se alojen micro burbujas que favorecen el 
proceso. La posibilidad de fuga de vapor hacia el lado de la cámara de corte también pudo haber contribuido 
al proceso de cavitación. 
La temperatura y presión dentro de la cámara son factores que determinan la formación de cavitación cuando 
ambas caen por debajo de la tensión de vapor del líquido. 
Tanto la presión de la cámara de corte, que esta determinada por la altura de la columna de descarga, y la 
temperatura del agua, que es determinantes de la forma y tamaño del pellet son parámetros de difícil o poco 
conveniente modificación. 
La cantidad de solutos en el agua es favorecedora del proceso de erosión- cavitación en la medida que estos 
disminuyen la tensión de vapor y generan puntos de nucleación, por lo que es de gran importancia asegurar 
la calidad del agua utilizada. 
 
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REFERENCIAS 
1. ASTM E3 – 01 “Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens”; 2001, American 
Society for Testing and Materials. 
2. ASM Handbook, “Metallography and Microestructures”; 1985, American Society for Metals, Vol. 9. 
3. ASM Handbook, “Failure Analysis and Prevention”; 1986, American Society for Metals, Vol. 11. 
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