Revista I+i 2012

Investigación aplicada e innovación

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Instituto de Educación Superior Tecnológico Privado TECSUP N° 1

RM: N° 153-84-ED (17/02/1984)

RD: N° 054-2005-ED (24/02/2005)

Volumen 6, N.o 1 Primer semestre, 2012 Lima, Perú

ISSN 1996-7551

Editorial ................................................................................................................................................................................................

3

Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia usando Herramientas de Visión por Computadora ....................................................................................................................... José Lazarte

5

Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través de respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga ............ María Teresa Mendoza

13

Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN ....

Alberto Ríos

21

Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales .................................................... ...................................................................................................................................................................................... Mario Surco

33

Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken......................................................................Rodrigo Perea

41

Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero ........................................ .Juan Carlos Heredia

51

Diseño e Implementación de un Sistema Electrónico de Control Modulante de Nivel en Calderos ...................................................................................................................................................................César Vera

61

Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados .................................................................. .......................................................................................................................................Adriana Barja / Hernán Zapata

67

Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin Espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad ..................... Victoria Larco

73

Editor en Jefe: Alberto Bejarano, Tecsup Comité editorial: Aurelio Arbildo, Inducontrol Guillermo Barcelli, 2E Ingenieros Jorge Bastante, Tecsup Elena Flores, Cementos Pacasmayo Hernán Montes, Utec Ricardo Ruiz, Tecsup Jack Vainstein, Vainstein Ingenieros

InstruccIones para los autores La revista Investigación aplicada e innovación, I+i, es publicada semestralmente. El objetivo de la revista es contribuir al desarrollo y difusión de investigación y tecnología, apoyando al sector productivo en la mejora de sus procesos, eficiencia de sus procedimientos e incorporando nuevas técnicas para fortalecer su competitividad. Las áreas principales de su cobertura temática son: Automatización industrial, Electrotecnia, Electrónica, Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC), Ensayo de materiales, Química y Metalurgia, Educación, Mantenimiento, Tecnología Agrícola, Tecnología de la Producción, Tecnología Mecánica Eléctrica, Gestión y Seguridad e Higiene Ocupacional.

Va dirigida a los profesionales de los sectores productivos y académicos en las áreas de la cobertura temática.

Coordinadora: Mayra Pinedo

Requisitos para la publicación de artículos:

Colaboradores: Adriana Barja Juan Carlos Heredia Victoria Larco José Lazarte María Teresa Mendoza Rodrigo Perea Mario Surco César Vera Hernán Zapata

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2. estructura del artículo • Al comienzo del artículo se colocará el título de la investigación (en inglés y español), nombre y apellidos de los autores y su afiliación académica e institucional.

• A continuación aparecerá –en español e inglés un breve resumen del contenido del artículo y unas palabras clave con cuerpo de 9 puntos.

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– Fundamentos: Presentar los antecedentes que fundamentan el estudio (revisión bibliográfica); Describir el estudio de la investigación incluyendo premisas y limitaciones.

– Metodología: Explica cómo se llevó a la práctica el trabajo, justificando la elección de procedimientos y técnicas.

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– Resultados: Resumir la contribución del autor; Presentar la información pertinente a los objetivos del estudio en forma comprensible y coherente; Mencionar todos los hallazgos relevantes, incluso aquellos contrarios a la hipótesis.

– Conclusiones: Inferir o deducir una verdad de otras que se admiten, demuestran o presupone; Responder a la(s) pregunta(s) de investigación planteadas en la introducción y a las interrogantes que condujeron a la realización de la investigación.

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3. seleccIón de artículos • El procedimiento de selección de artículos para ser publicados se realiza mediante un sistema de arbitraje que consiste en la entrega del texto anónimo a dos miembros del consejo editorial, especialistas en el tema. Si ambos recomiendan su publicación, se acepta su dictamen y se comunica al autor; si no coinciden, el dictamen de otro miembro será definitivo.

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EDITORIAL Iniciamos el sexto año de publicación de la revista I+i, motivados en la difusión de la investigación aplicada e innovaciones que contribuyan al desarrollo de la ingeniería y tecnología.

Comprometidos con el desarrollo de la producción intelectual, seguimos compartiendo con los profesionales y empresas, los resultados de estudios y proyectos que ayuden en la mejora de sus procesos.

En esta edición, correspondiente al primer semestre de 2012, contamos con trabajos realizados en las áreas de Automatización, Procesos Químicos y Metalúrgicos, Mecánica, Electrotecnia y Producción, los cuales representan un gran aporte al desarrollo tecnológico.

3

Comité Editorial

Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora Temperature Measurement in Power Semiconductors Using Computer Vision Tools José Lazarte, Tecsup

Resumen

From this information and using logging tools, segmentation and feature extraction is performed to measure the values and

Este artículo trata del estudio realizado para poder realizar el

defining a pattern of temperatures to identify as it is making

trazado de un patrón de temperaturas en la superficie de un

the process of heat exchange between him and power device

semiconductor de potencia. Teniendo como dispositivo de

environment. Such information is important in a maintenance

adquisición de información una cámara termo gráfica que

process, to assess the integrity of the device in the shortest

entrega imágenes de una región del espacio donde se en-

time and without having to disconnect the system where it

cuentra el dispositivo bajo estudio.

operates.

A partir de dicha información y usando herramientas de re-

The results obtained with this procedure demonstrate the

gistro, segmentación y extracción de características, se realiza

effectiveness of this to characterize the temperature values

la medición de los valores y se define un patrón de tempera-

that the device develops. Results have been validated with

turas que permiten identificar como se está realizando el pro-

three different images of the device and the three results are

ceso de intercambio de calor entre él dispositivo de potencia

concordant.

y el medio ambiente. Dicha información resulta importante en un proceso de mantenimiento, para poder evaluar la in-

Palabras clave

tegridad del dispositivo en el menor tiempo y sin tener que desconectarlo del sistema donde opera.

Termografía, visión por computadora, Semiconductores, Temperatura.

Los resultados obtenidos con este procedimiento demuestran la efectividad de este para caracterizar los valores de

Key words

temperatura que el dispositivo desarrolla. Se han validado los resultados con tres imágenes distintas del dispositivo y en los

Thermal imaging, computer vision, Semiconductors, Tempera-

tres los resultados son concordantes.

ture.

Abstract

INTRODUCCIÓN

This article deals with the study in order to make the layout

El uso de termo grafía como herramienta en los procesos de

of a pattern of surface temperatures of a power semiconduc-

mantenimiento se ha extendido en los últimos 20 años con la

tor. Having as information acquisition device thermo graphic

aparición de equipos con mejores prestaciones en la detección

camera that delivers images of a region of space where the

de la gama del espectro infra-rojo. Tal es el caso de los equipos

device under study.

de la marca FLIR en especial del modelo i5, en base a la información grafica en una imagen termo gráfica se hacen evidentes

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

5

LAZARTE, José. “Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora ”

comportamientos que de otra manera pueden pasar sin ser

Dicho dispositivo contiene el siguiente modelo circuital de se-

detectados. Estos procedimientos son usados bastante en la

miconductores.

industria para la detección de fallas o mal funcionamiento de equipos.

En particular cuando los dispositivos bajo estudio están funcionando en sistemas críticos no es posible poder desconectarlos y verificar su integridad mediante pruebas de laboratorio, por lo cual es importante y necesario realizar un procedimiento de evaluación en el campo, donde el dispositivo está funcionando. Esto es de considerable importancia cuando se trata de un dispositivo semiconductor que puede manejar niveles de energía muy grandes y cuyo trabajo es clave en un sistema determinado.

En el caso de semiconductores su comportamiento térmico

Figura 2: Imagen del circuito representativo del dispositivo.

FUNDAMENTOS

es fundamental para asegurar su tiempo de vida y evitar fallas intempestivas que no solo deterioren el dispositivo, si no

En la realización de aplicaciones de visión por computadora se

el sistema en el que este se encuentra trabajando.

requiere del desarrollo de varias partes en las que se realizan procedimientos que buscan poder tomar información de un

Por tanto el comportamiento térmico de la superficie de un

fenómeno del mundo real y traducirlo a modelos matemáticos

semiconductor puede servir como herramienta de detección

de imágenes para que estos puedan ser analizados y aplicando

de posibles problemas de mal funcionamiento si son primero

conceptos de control se pueda tomar una decisión y realizar un

detectadas con los instrumentos adecuados y, luego puedan

acción que afecte al fenómeno bajo estudio.

entregar la información necesaria para poder evaluar el comportamiento del mismo.

6

Los sistemas de visión artificial se encuentran conformados por dos partes; la que corresponde a la adquisición de la informa-

En particular tomaremos como caso de estudio la temperatu-

ción del fenómeno bajo estudio, así como la que corresponde

ra de la etapa de potencia de un variador de velocidad para

al actuador que modificará o interactuará con el fenómeno; y la

motores AC.

segunda que corresponde al tratamiento de la información en base a herramientas de software.[1]

En este caso el dispositivo bajo estudio esta ensamblado en el equipo y opera de forma satisfactoria en un entorno indus-

Es en este ámbito que se desarrolla este estudio, especifica

trial. Es ahí donde se requiere poder mediante una imagen

mente en los bloques que corresponden a procesamiento de

tomada con una cámara temo gráfica identificar su tempera-

la imagen, segmentación y Detección y extracción de caracte-

tura de trabajo y generar un patrón de temperaturas de su

rísticas

superficie visible.

.

Figura 3: Partes de un sistema de Visión Artificial

En la parte de procesamiento de la imagen, se producen deFigura 1: Imagen de Dispositivo de potencia bajo estudio.

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gradaciones de las mismas, debido a causas aleatorias en los

LAZARTE, José. “Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora ”

procesos de captación, transmisión y digitalización. Dentro

Finalmente en la parte de extracción de características se busca

de esto se realiza por ejemplo el proceso de conversión de

detalles típicos que caractericen al objeto estudiado para poder

imagen de color a escala de grises para poder analizar la lu-

reconocerlo, buscando una manera óptima de representar la in-

minancia de la imagen. Esto se realiza mediante la ecuación

formación que describe cada uno de los detalles caracterizados.

de luminancia. Aplicada a una imagen de color en base a sus componentes, en el caso de una imagen con un patrón RGB

En el procedimiento se busca identificar una zona o región para

de color como el que se muestra en la figura 4.

poder leer un valor de color que permita identificar en base a un mapa de color un valor de temperatura. [2]

METODOLOGÍA Para la realización del estudio se uso imágenes tomadas con una cámara Flirt modelo i5 que entrega una imagen en formato JPG con una resolución de 240x240 pixeles.

Dicha información es tomada directamente del equipo que posee el semiconductor instalado como parte de él y operando, en este caso particular es un variador Modelo iG5 de la marca LG. El equipo se encontraba operando un motor de 3HP, con carga mínima por un periodo previo de dos horas antes de la toma de la imagen.

Figura 4: Imagen a color con un patrón R-G-B de color. a

b

A continuación se muestra una imagen del equipo en mención.

7 c

d

Figura 5: (a) Componente R, (b) Componente G, (c) Componente B, (d) Escala de grises.

La ecuación de luminancia es la mostrada a continuación: Y = R*0.3+G*0.5 + B*0.11

(1)

En donde R, G y B son los valores de cada pixel en cada una de las componentes. El valor de Y es el valor que tendrá el pixel

Figura 6: Imagen del variador de velocidad iG5

en la imagen en escala de grises.

En la parte inferior del equipoV se encuentra el dispositivo que En la parte de segmentación se busca realizar una separación

será motivo del presente estudio, la imagen tomada con la cá-

identificando el objeto de interés del fondo de la imagen,

mara termo gráfica registra el lado expuesto o visible de dicho

para ello se hacen uso de diferentes algoritmos como los de

dispositivo, la cual se muestra en la imagen siguiente, que en-

histograma, umbralización, ecualización, erosión, dilatación,

foca aproximadamente el mismo punto de visión que el de la

etiquetado, etc.

cámara termo gráfica.

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Figura 9. Disposición física entre la cámara y el variador de velocidad

Se realizaron varias tomas de las que se escogieron tres, con las que se realizas las pruebas de validación de los resultados. Las imágenes son las siguientes.

Figura 7: Detalle de la ubicación del dispositivo semiconductor

Dicha imagen nos servirá de referencia de la ubicación del área que se estudiará.

ADQUISICIÓN DE LA INFORMACIÓN Se realizaran las mediciones usando una cámara termo gráfi-

8

ca modelo FLIR i5 la cual presenta entre sus característica un rango espectral de detección de 7,5 a 13 µm. y una resolución de infra rojos de 80x80 píxeles. [1] A continuación se muestra una imagen del equipo.

Figura 10. Imágenes usadas para la validación de los resultados

De las imágenes mostradas se deben de tomar en cuenta que el valor de temperatura que la cámara registra según su propia forma de registro y medición se muestra en la zona marcada con 1, la cámara posee un punto de referencia de medición que se encuentra marcado con un visor circular y se ubica en el centro de la imagen, zona marcada con 2, en la parte interior posee un patrón de color en la zona marcada con 3 y presenta Figura 8. Flir i5 (a) vista de frontal, (b) vista posterior.

el rango de temperaturas en la que está contenida la escala de color en las zonas marcadas con 4.

La toma de la imagen se realizo de la forma mostrada en la figura considerando mantener una posición frontal respecto al objeto sobre el cual se realiza la toma de la imagen termo gráfica.

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que encierra la escala gráfica de temperaturas. Tomando como referencia las coordenadas del centro de la imagen.

1

[3] Luego se muestran los tres canales de color (RGB) de la imagen.

2

Figura 12. Canales RGB de la imagen termo gráfica

4

3

4 C) Determinación de coordenadas de la escala de medición.

Figura 11. Disposición de la información contenida en la imagen

RESULTADOS

En esta parte se recorta las regiones de la imagen, en las que se realizará el análisis, para nuestro caso tendremos dos regiones, la que corresponde al semiconductor y a la imagen patrón de temperaturas. En base a la información

Procedimento desarrollado de medición

de coordenadas definidas en la parte anterior.

Con la imagen termo gráfica (la imagen esta en formato JPG)

Para ello se hace uso del comando “imcrop”[2], con este co-

como punto de partida se realizo un procedimiento usando

mando definimos las matrices “Area_Med” que contiene la

el software Matlab [3] y las herramientas que este presenta

información indexada de la imagen y “Pat_med” que con-

en el procesamiento de imágenes para poder extraer de la

tiene la información de la imagen patrón de colores.

imagen información de la temperatura de la superficie visible del dispositivo semiconductor.

Con el comando “size” definimos las dimensiones de filas y columnas de cada una de ellas. En el caso de las columnas

El procedimiento que describiremos esta desarrollado en un

es necesario resaltar que en el valor entregado están consi-

scrip de Matlab.

derados los tres patrones de color (RGB); por lo que será necesario dividirlo entre tres para poder tener la dimensión

A) Lectura de la imagen.

en columnas correcto.

Se usa el comando imread para realizar la lectura del archivo gráfico, luego lo pasamos a escala de grises para luego mediante el comando size, las filas y columnas fueron guardadas en las variables m1 y n1 con dichos valores calculo las coordenadas del centro de la imagen para desde ese punto como referencia ubicar las coordenadas de las regiones de interés.

La imagen en formato JPG se convierte a una imagen

Figura 13. Imágenes recortadas

indexada, y a una imagen en escala de grises para poder de ella leer las dimensiones de esta, la cual resulta de 240x240.

B) Determinación de coordenadas de la escala de medición.

D) Determinación de los valores de temperatura en base al patrón de color.

En esta parte se definen los límites de temperatura mínima y máxima entre los que varía el patrón de color, además

Se determinan las coordenadas de los vértices del área

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se desarrolla un algoritmo que permita primero tomar un

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LAZARTE, José. “Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora ”

punto de la imagen y compararlo con cada punto del me-

las temperaturas contenidas en la imagen. Se generan his-

dición de colores, para poder definir a que valor se ase-

togramas de estos valores para poder tener una idea de su

meja más, pare ello la comparación la realizamos en base

distribución en el área contenida de la imagen. Y se grafica

a diferencias, usando la siguiente ecuación:

tridimensionalmente la distribución de valores obtenidos.

En función al mapa de colores ( “cool”) de la función “surf”

VectorError_T = (diferencia de intensidades del canal R)

de Matlab.

+ (diferencia de intensidades del canal G) + (diferencia de intensidades del canal B) (2) De todos los errores calculados y contenidos en el vectorError_T, se elige el que presenta menor valor y se le asigna el índice correspondiente de la posición de dicho valor en el patrón de colores.

Con dicho índice se tabula mediante una regla de tres el valor de temperatura correspondiente en función a los valores máximos y mínimos determinados antes. En base a la ecuación:

Figura 15. Histograma del vector Vector_T.

Tindice = (Tmax-((125- k)*(Tmax- Tmin)/125))

(3)

Mostramos a continuación en una gráfica la fila 10 de las 21 que contiene la imagen analizada de los valores de tempera-

10

tura calculada.

Figura 16. Histograma del vector Temperatura_Maxima

Figura 14. Valores de temperatura alcanzados en la fila 10 de la imagen analizada.

Notamos que a lo largo de la imagen los valores de temperatura están por encima de 24°C y por debajo de 32°C E) Determinación de los valores de temperatura en base al patrón de color.

Se extraen los valores máximos, mínimos y promedios de Figura 17. Histograma del vector Temperatura_Minima

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LAZARTE, José. “Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora ”

Imagen (b) Imagen (c)

29.10

23.01

26.00

26.30

29.49

25.41

27.08

27.00

Figura 18. Histograma del vector Temperatura1(promedio)

Figura 20. Gráfico 3D de distribución de temperaturas imagen (a)

11 Figura 19. Gráfico 3D de distribución de temperaturas imagen (a)

Comparando los valores alcanzados y su distribución a lo largo de la imagen, podemos tener una clara idea de cómo se distribuye la temperatura y por ende el calor en el dispositivo cuando este está en funcionamiento.

CONCLUSIONES

Figura 21. Gráfico 3D de distribución de temperaturas imagen (a)

Los valores de temperatura encontrados, así como los máxi-

Se observa de los resultados que los valores concuerdan con

mos y mínimos los organizamos para la primera imagen con-

los que la cámara entrega, pero hay que considerar que el valor

signando el valor dado por la cámara, y realizando el mismo

de temperatura de la cámara es en relación a un área pequeña

procedimiento para las imágenes (b) y (c). Permiten tener el

y definida, para nuestro caso el área de estudio es mucho más

siguiente cuadro de valores.

grande por lo que considero que es más representativo y de mucha mayor utilidad la información que puede mostrarnos las figuras 19, 20 y 21.

TABLA I VALORES DE TEMPERATURAS PARA LAS TRES IMÁGENES.

Finalmente considerando este tipo de análisis como un primer

Imagen (a)

Tmáxima

Tmínima

Tpromedio

Tcamara

paso de un procedimiento que permita tomar la imagen termo

29.98

25.19

27.48

29.30

forma que cuando los valores salgan de los consignados como

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gráfica en tiempo real y realizar un proceso de monitoreo de tal valores de operación normales se pueda tomar un acción co-

LAZARTE, José. “Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia Usando Herramientas de Visión por Computadora ”

rrectiva o de prevención de forma directa en el sistema que se está monitoreando.

REFERENCIAS [1]

FLIR Systems, Inc (2010), Manual de Usuario i5 i7, Documento T559389, March 11, 2010, Boston, Massachusetts.

[2]

Dana H. Ballard, Christopher M. Brown (1982), Computer Vision, Department of Computer Science, University of Rochester, PRENTICE-HALL. INC., New York.

[3]

The MathWorks, Image Processing Toolbox™ 7 User’s Guide (2011).

ACERCA DEL AUTOR José J. Lazarte Rivera recibió el grado de Bachiller en Ciencias y el título profesional en Ingeniería Electrónica, por la Universidad Nacional de Ingeniería, ha participado en programas de entrenamiento en Aplicaciones Industriales de Electrónica en el Instituto Politécnico de Inchon en Corea del Sur. Tiene experiencia en mantenimiento electrónico y desarrollo de soluciones en el campo de la Electrónica Industrial, Electrónica Digital aplicada, Integración de sistemas de Electrónicos de

12

Potencia en Industria, Control de Velocidad y Posición de Motores, habiendo realizado diversas actividades de consultoría para empresas locales. Es profesor a tiempo completo en TECSUP-Lima y dicta cursos relacionados a electrónica analógica y digital, Tiene a su Cargo el Laboratorio de Electrónica de Potencia del Departamento de Electrónica. Participa también en el dictado de cursos de Especialización para profesionales de la industria, especialmente en temas de Control Electrónico de Potencia y Control Automático de Motores Eléctricos.

Original recibido: 15 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 25 de abril de 2012

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Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga Comparison of Methods of Parameter Estimation of Synchronous Generator Through the Frequency Response Test and Load Rejection María Teresa Mendoza, Tecsup

Resumen

Key words

En este trabajo se discute la metodología de estimación de

Synchronous generator, parameter estimation, frequency res-

parámetros eléctricos de un generador síncrono de polos

ponse test, Levy’s method, Levenberg-Marquardt’s method,

salientes, a través del ensayo de respuesta en frecuencia con

load rejection test.

rotor en reposo (ERFRR).Los métodos numéricos utilizados para la identificación de parámetros son el método de Levy

INTRODUCCIÓN

y el método de Levenberg-Marquardt. Para validar los datos obtenidos, se compararon los resultados de los parámetros

Los parámetros del generador síncrono se utilizan en la cons-

estimados con los valores de los parámetros obtenidos en

trucción de modelos matemáticos para el estudio de la dinámi-

ensayos de corto-circuito brusco y de rechazo de carga. Los

ca de sistemas de energía eléctrica. Estos estudios tales como

resultados fueron obtenidos usando un generador síncrono

la determinación de los límites de operación, la configuración

de 2 kVA, 230 V, 1800 RPM, 60 Hz. Los parámetros estimados

de los esquemas de protección, el despacho de carga, la esta-

fueron las reactancias síncronas y todas las constantes de

bilidad transitoria y dinámica entre otros, son críticos para la

tiempo.

operación del sistema de energía eléctrica. El conocimiento de

Abstract

los parámetros de los generadores síncronos es de vital importancia en la obtención de resultados confiables obtenidos a través de simulaciones dinámicas.

This paper discusses the methodology for estimating the electrical parameters of a salient pole synchronous generator,

Los parámetros eléctricos fundamentales de un generador sín-

using data obtained from the standstill frequency response

crono son las resistencias eléctricas de los devanados del esta-

(SSFR) test. We analyzed the spectra of amplitude and phase

tor y rotor, las reactancias de dispersión de estos devanados y

of the operational inductances of direct and quadrature axis

las reactancias de magnetización del eje directo d y del eje en

of the stator windings and compared the results with the pa-

cuadratura q, las reactancias síncronas de ejes d y q, las reactan-

rameter values obtained in tests of short-circuit and sudden

cias transitorias y sub-transitorias de circuito abierto y de corto

load rejection.

circuito de los ejes d y q.

Palabras clave

Una de las instituciones internacionales que se preocupa con los métodos a utilizar para la determinación de parámetros es

Generador síncrono, estimación de parámetros, ensayo de

el Electrical Power Research Institute (EPRI) [3]. La EPRI incenti-

respuesta en frecuencia, método de Levy, método de Leven-

va a los propietarios de centrales a mejorar los parámetros de

berg-Marquardt, ensayo de rechazo de carga.

sus componentes para que las simulaciones puedan describir

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

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MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

perfectamente el comportamiento dinámico de las mismas,

to en el eje q. Las inductancias operacionales del eje d y eje q

ya que actualmente existen software muy buenos en el mer-

pueden entonces ser obtenidos a partir de los circuitos equiva-

cado para realizar simulaciones.

lentes vistos en la figura (1).

El ensayo de respuesta en frecuencia es una técnica de esti-

En esta figura vd y vq son las tensiones del eje d y q, en los termi-

mación de parámetros eléctricos de generadores síncronos

nales del devanado del estator, id y iq son las corrientes de ejes

que presenta un bajo nivel de riesgo impuesto a la máqui-

d y q del estator, vfd es la tensión de campo, Ld(s) y Lq(s) son las

na, comparado con ensayos de cortocircuito. Este método se

inductancias operacionales de ejes d y q, Ra es la resistencia del

basa en la determinación de parámetros estándares del ge-

devanado de armadura.

nerador, tanto para el eje directo como para el eje en cuadratura, utilizando curvas de respuesta en frecuencia obtenidas

Las expresiones de las inductancias operacionales Ld(s) y Lq(s)

experimentalmente con el generador en reposo.

son mostradas en (1) y (2) [2], [10]-[20].

En este trabajo, se presenta un procedimiento para estima-

(1)

ción de algunos parámetros eléctricos de un generador síncrono de polos salientes utilizando los datos obtenidos del ensayo de respuesta en frecuencia. A partir de estos datos, se determinaron los siguientes parámetros: reactancias síncronas de eje directo y de eje en cuadratura y las constan-

(2)

tes de tiempo transitorias y sub-transitorias de eje directo y de eje en cuadratura, de cortocircuito y de circuito abierto utilizando métodos iterativos de ajuste de curvas. El método iterativo de Levy [7], [12] y de Levenberg-Marquardt [7], [8] y [12] que permiten una estimación eficiente y numéricamente convergente fueron utilizados en este programa. (a)

14

Uno de los aportes de este trabajo, es el uso del método de Levy como punto de partida para el método de LevenbergMarquardt (L-M). El uso del método de Levy, que es sólo utilizado en sistemas lineales, se mostro como una herramienta muy importante para la búsqueda de este punto de partida.

Para validad la consistencia de los resultados del ensayo de

(b)

respuesta en frecuencia con rotor en reposo y la eficiencia de los algoritmos de estimación de parámetros utilizados en este trabajo se comparo los valores obtenidos en el ensayo de respuesta en frecuencia con los resultados de ensayos de cortocircuito y de rechazo de carga del eje directo y de eje arbitrario.

MODELAMIENTO MATEMÁTICO DE LA DINÁMICA DEL GENERADOR SÍNCRONO

Figura 1 – Circuito equivalente a) eje d y b) eje q del generador síncrono de polos salientes

En estas ecuaciones Ld e Lq son las inductancias síncronas de ejes d y q, T´d e Td son las constantes de tiempo transitorio y subtransitorio de cortocircuito y del eje directo, respectivamente,

El generador síncrono es normalmente modelado en dos ejes d y q usando la transformada Park [6], [9]. Varios investigadores, entre ellos Kundur [6], consideran el generador síncrono de polos salientes como teniendo un devanado de amortecimiento en el eje d y un devanado de amortecimien-

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Tq es la constante de tiempo sub-transitorio de cortocircuito y de eje en cuadratura, T´d0 e Td0 son las constantes de tiempo transitorio y sub-transitorio de circuito abierto y de eje directo, respectivamente, Tq0 es la constante de tiempo sub-transitorio de circuito abierto y de eje en cuadratura.

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

ENSAYO DE RESPUESTA EN FRECUENCIA

Las funciones de transferencia Zd(s) y Zq(s) son obtenidas por medio de sus diagramas de Bode que muestran las amplitudes y ángulos de fase en función de la frecuencia. La ecuación (3)

Los ensayos de respuesta en frecuencia son descritos en la

permite determinar las inductancias operacionales de eje di-

IEEE Std. 115 [1]. Esta norma existe desde los años 80, fue re-

recto y de eje en cuadratura que serán utilizados en la estima-

visada en 1995 y se volvió a revisar en 2009 siendo publicada

ción de los parámetros, como se ve en las ecuaciones (1) y (2).

en 2010. Esta es muy importante en el área de ensayos de máquinas síncronas.

(3)

Esta norma muestra como determinar las impedancias operacionales del eje directo y del eje en cuadratura Zd(s) y Zq(s) a partir de los ensayos de respuesta en frecuencia, colocando el rotor en reposo, primero de manera que el eje de campo magnético debido a la corriente del estator este a lo largo

Para obtener Ra, se debe trazar la parte real de la impedancia operacional de armadura Zd(s), en función de la frecuencia y extrapolarse para una frecuencia cero [1].

del eje directo y la impedancia operacional de eje d, Zd(s) sea (4)

obtenido. La norma IEEE Std. 115 explica como esto es realizado, figura (2).

De forma análoga, con el rotor posicionado en el eje q se ob-

Se debe tener mucho cuidado para obtener el valor de la resis-

tiene la impedancia operacional de eje q, Zq(s).

tencia eléctrica de armadura, que será utilizado en los cálculos de los parámetros, con la mayor precisión y resolución posible, caso contrario, podría resultar en grandes errores para valores de baja frecuencia de la inductancia operacional. En este ensayo es muy importante para obtener medidas aceptables, una buena calibración de los instrumentos de medida de tensión y de corriente eléctrica.

DESCRIPCIÓN DEL ALGORITMO DE ESTIMACIÓN El algoritmo de estimación de parámetros para el ensayo de (a)

respuesta en frecuencia determina los parámetros de las inductancias operacionales de los ejes d y q (3), que aproximen las funciones de amplitudes y los ángulos de fase de las funciones de transferencia Ld(s) y Lq(s) para cada frecuencia w, obtenidas por medio de tensiones y corrientes del estator en un dado rango de frecuencias.

Los métodos numéricos utilizados para la estimación de los parámetros en el dominio de la frecuencia son el método de Levy y el método de Levenberg-Marquardt. El método de Levy, es utilizado para determinar una primera estimación de valores de parámetros que serán el punto de partida del método de Levenberg-Marquardt.

(b) El método de Levy fue propuesto en 1959 [7], [12]. El objetivo Figura 2 – Configuraciones del ensayo para obtener la impedancia operacional (a) del eje d, Zd(s), (b) del eje q, Zq(s)

de este método es determinar los coeficientes de un modelo lineal descrito por una función de transferencia lineal.

(5)

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

15

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

La respuesta en frecuencia del modelo se aproxima de una

La segunda derivada parcial de la función objetivo F(p) es la

respuesta en frecuencia obtenida a partir de procedimientos

matriz Hessiana dada por:

experimentales H(s). El error del modelo en el dominio de la frecuencia es dado por:

(11) El método de L-M varía entre el método de Gradiente Descen(6)

diente y el método de Gauss-Newton. Cuando λ≈0 el método es equivalente a Gauss-Newton y si λ tiende a infinito, el método de L-M tiende al método de gradiente. Las ventajas de este mé-

Una solución para determinar los coeficientes de la función

todo es la posibilidad de ajustar λ para cada iteración.

de transferencia , con la finalidad de minimizar la función de (12)

error (6), es conseguida multiplicando D(jw), lo que resulta en la ecuación:

La complejidad del algoritmo de L-M aumenta con el número de parámetros que serán determinados.

(7)

Donde A y B son funciones dependientes del vector de fre-

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL ENSAYO DE RESPUESTA EN FRECUENCIA

cuencia w y de los coeficientes de la función de transferencia.

De la expresión (7) se define la función objetivo a minimizar.

El primer paso en la identificación de parámetros es la elección de las estructuras del generador para el eje directo y para el eje en cuadratura. En el caso de generadores síncronos de polos

(8)

salientes se utilizarán las ecuaciones (1) y (2).

Se realizaron 105 mediciones de amplitud y de fase de las im-

16

Los coeficientes de la función de transferencia serán determi-

pedancias operacionales Zd(s) y Zq(s) en el rango de frecuencia

nados, minimizando F [7], [12].

de (0.01 Hz a 1000 Hz), usando los esquemas mostrados en la figura (2). Con los pares de puntos obtenidos de amplitud y

Por otro lado, el método de Levenberg-Marquardt se basa en

de fase Zd(s) y Zq(s) y usando la expresión (3) se obtuvieron los

el ajuste de una función no lineal de mínimos cuadrados. Los

puntos Ld(s) y Lq(s).

parámetros de un modelo son determinados de manera que minimicen la suma de cuadrados de la función objetivo [4],

Utilizando el método de Levy se obtuvo las curvas de respuesta

[7] y [18].

en frecuencia que se aproximaban, estas fueron usadas como punto de partida para la aplicación del método de L-M, que minimiza el error entre la función de transferencia medida y la (9)

función de transferencia obtenida por el método de Levy.

Tabla 1 – Parámetros estimados en el eje d utilizando diferentes ensayos

Donde f(p) es la diferencia entre los datos medidos del ensayo de respuesta en frecuencia y los datos de la función de transferencia obtenidos por el método de Levy. Las condiciones

Parámetros

Métodos

Eje “d”

Cortocircuito

Rechazo de carga

ERFRR L-M

El valor de F(p) puede ser encontrado aplicando la primera

Ra (Ω)

1,38

-

1,3827

condición de optimización.

Ld (H)

0,0924

0,0749

0,0776

T’d (s)

0,0565

0,0706

0,0774

de optimización sólo pueden ser verificadas numéricamente.

(10)

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Td (s)

0,0149

0,0206

0,0050

T’d0 (s)

0,2917

0,2854

0,3461

Td0 (s)

0,0225

0,0330

0,0086

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

En la tabla (1), se compara los valores del ensayo de respuesta en frecuencia con rotor en reposo (ERFRR) con parámetros determinados por medio de otros ensayos. Se observa que las mayores diferencias entre los ensayos realizados esta en las constantes de tiempo sub-transitorias T’’d y T’’d0.

La amplitud y fase de la inductancia operacional Ld(s) son mostradas en las figura (3). La línea sólida muestra las cantidades medidas por medio del ERFRR, la línea punteada representa la función de transferencia estimada utilizando los métodos descritos.

Figura 4 – Tensión terminal del generador durante el rechazo de carga de eje directo

Al ser un método gráfico, la determinación de parámetros se obtiene a través de las tendencias A, B1, B2, y C (figura 5).

En la tabla (2), se muestran los parámetros estimados a través del ERFRR, y los parámetros determinados del ensayo de rechazo de carga eje directo, considerando dos tendencias B1 y B2.

El ensayo de rechazo de carga, por lo que se observa, permite la determinación de cualquier valor para las constantes de tiempo transitoria y sub-transitoria, en cuanto que el método de respuesta en frecuencia, por su naturaleza imparcial y estrictamente matemática determina constantes de tiempo de manera bien clara.

Tabla 2 – Parámetros estimados en el eje d, considerando diferentes ensayos y tendencias en la tensión terminal del ensayo de rechazo de carga de eje d

Parámetro

Métodos Rechazo de

Eje “d”

carga-eje d (Tendencia B1)

Figura 3 – Amplitud y fase de la inductancia operacional Ld(s), datos medidos y datos estimados

Como se observa, en la tabla (1), se comparan los resultados

(Tendencia B2) (Ten-

ERFRR

dencia B2)

Ld (H)

0,0749

0,0749

0,0776

T’d (s)

0,0706

0,0706

0,0774

Td (s)

0,0056

0,0205

0,0050

T’d0 (s)

0,2854

0,2854

0,3461

T’d0 (s)

0,0066

0,0353

0,0086

de estimación de parámetros obtenidos del ensayo de rechazo de carga del eje directo con los datos del ERFRR. Para

En la tabla (3) se presenta los parámetros estimados para el eje

determinar los parámetros a partir del ensayo de rechazo de

en cuadratura del ensayo de respuesta en frecuencia, utilizan-

carga se utilizo una metodología gráfica [11], [12], figura (4).

do el método de Levy y el método de Levenberg-Marquardt. Se

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

17

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

compara estos valores con parámetros obtenidos del ensayo

Se observa de la tabla (3) que la diferencia entre los parámetros

de rechazo de carga eje arbitrario.

obtenidos en los ensayos de respuesta en frecuencia y de rechazo de carga son considerables.

Tabla 3 - Parámetros estimados en el eje q utilizando diferentes ensayos

Igual que el caso anterior, se muestra en la figura (6) la tensión Parámetros eje “q”

Métodos Rechazo de car- ERFRR ga eje arbitrario L-M

Lq (H)

0,0547

0,0589

T’’q (s)

0,0083

0,0030

T’’qo (s)

0,0492

0,0191

terminal del generador durante el rechazo de carga de eje arbitrario, y considerando dos tendencias.

En la figura (5) se muestra la amplitud y la fase de la inductancia operacional de Lq(s), valores medidos y estimados.

Figura 6 – Tensión terminal durante el rechazo de carga de eje arbitrario

En la tabla (4), se muestran los parámetros estimados de eje q, a través del ensayo de respuesta en frecuencia usando el método de Levy y el método de L-M, y los parámetros determinados del

18

ensayo de rechazo de carga de eje arbitrario, considerando dos tendencias.

Tabla 4 – Parámetros estimados en el eje q, considerando diferentes ensayos y tendencias en la tensión terminal del ensayo de rechazo de carga de eje arbitrario

Métodos Parámetros Eje “q”

Rechazo de carga-eje q (Tendencia B1)

Rechazo de carga-eje d (Tendencia B2)

ERFRR (0,01 a 200Hz)

Lq(H)

0,0549

0,0549

0,0572

T’q(s)

0,0083

0,000298

0,0030

T’q0(s)

0,0492

0,0180

0,0180

Se observa de las tablas (2) y (4), que las constantes de tiemFigura 5 - Inductancia operacional Lq(s), amplitud e fase, datos medidos y datos estimados, método de L-M

De esta figura se concluye que los errores debido al método numérico son aceptables. Por lo tanto, se verifica que el proceso de convergencia del método numérico es eficiente.

po sub-transitoria varían según la tendencia que se considere, usando una metodología gráfica.

CONCLUSIONES En este trabajo se desarrollo un algoritmo de estimación de parámetros del generador síncrono a partir de los datos del ensayo de respuesta en frecuencia, aplicando el método de Levy y

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

el método de Levenberg-Marquardt. El método de Levy iden-

[10] Bortoni, E. (1998). Modelagem de máquinas síncronas de

tifica la estructura del modelo que más se ajusta a los datos

polos salientes empregando técnicas de resposta em fre-

medidos del ensayo obteniendo los parámetros iníciales de

quência, Tese de Doutorado, Universidade de São Paulo,

la función de transferencia, para después utilizar el método

Brasil.

iterativo de Levenberg-Marquardt de ajuste de curva, que aproxime la función de transferencia lineal a la función de transferencia medida.

[11] Fajoni, F. (2010). Estudos sobre determinação de parâmetros elétricos de geradores síncronos de polos salientes, Tese de Mestrado, Universidade de Campinas, Brasil.

Además fueron comparados los resultados del ensayo de respuesta en frecuencia con ensayos de cortocircuito y recha-

[12] Mendoza, M. (2011). Identificacao de parametros de ge-

zo de carga de eje directo y de eje arbitrario. Los resultados

radores síncronos usando métodos de ajuste de curvas

fueron de razonables a buenos para parámetros de régimen

y ensaio de resposta en frequencia, Tese de Doutorado,

permanente y de régimen transitorio sin embargo, las cons-

Universidade de Campinas, Brasil.

tantes de tiempo sub-transitoria presentan valores diferentes comparados con los resultados de ensayo de corto circuito brusco y de rechazo de carga.

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Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

19

MENDOZA, María. “Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través del Ensayo de Respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga”

ACERCA DE LA AUTORA María Teresa Mendoza Llerena recibió el grado de Ingeniero Electricista en la Escuela de Ingeniería Eléctrica por la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Perú, en 2003, el grado de Msc. en el departamento de máquinas eléctricas, accionamientos y energía por la Universidad Federal de Rio Grande do Sul (UFRGS), Brasil, en 2006.

El grado de doctor en el departamento de sistemas de control y energía en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación (FEEC) por la Universidad Estadual de Campinas (UNICAMP), Brasil, en 2011. Se desempeña actualmente como docente en el área de medidas eléctricas, instrumentación y máquinas eléctricas en Tecsup Arequipa. (mmendoza@tecsup-aqp.edu).

Original recibido: 06 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 20 de abril de 2012

20

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN Update of Technical Requirements for Connection of Wind Installations to SEIN Alberto Ríos, Universidad Europea de Madrid

Resumen

Key words

Este artículo presenta una propuesta de actualización de los

Wind farms, wind turbines, technical requirements.

“Requerimientos Técnicos de Conexión de las Instalaciones Eólicas” incluido como Anexo A del Procedimiento Técnico

INTRODUCCIÓN

Nº21 del Comité de Operación Económica del Sistema (COES): “Ingreso de Unidades de Generación, Líneas y Subestaciones

El 1 de Mayo del 2008 se aprobó y promulgó por la Presidencia

de Transmisión en el COES-SINAC”. En el Perú, a finales del año

de la República del Perú el Decreto Ley 1002 “Decreto Legisla-

2012 se conectaran tres parques eólicos al Sistema Eléctrico

tivo de Promoción de la Inversión para la Generación de Elec-

Interconectado Nacional (SEIN) lo que exige la revisión y ac-

tricidad con el Uso de Energías Renovables” que establece las

tualización de los criterios técnicos de conexión de instalacio-

bases de la promoción de sistemas renovables de generación

nes eólicas al SEIN, publicados el 15 de enero del 2010 en el

eléctrica basados en el aprovechamiento de Recursos Energé-

diario oficial “El Peruano”.

ticos Renovables (RER) para mejorar la calidad de vida de la po-

Abstract

blación y proteger el medio ambiente [1].

Por otro lado, mediante Decreto Supremo Nº 050-2008-EM,

This article presents a proposal to update the “Technical

se aprobó el “Reglamento de Generación de Electricidad con

Requirements for Connection of Wind Farms” included as

Energías Renovables”. Este Reglamento establece que los Siste-

Appendix A in the Technical Procedure No. 21 of the Com-

mas Renovables de Generación Eléctrica deberán cumplir los

mittee of Economic Operation System (COES) called “Income

requerimientos técnicos de operación exigidos en los Procedi-

of Generating Units, Lines and Substations transmission into

mientos del COES, [2, 3, 4, 5]. Además, el Reglamento indica que

COES-SINAC “. In Peru in late of 2012 three wind farms will be

el OSINERGMIN aprobará los procedimientos técnicos adicio-

connected to the National Electrical Interconnected System

nales para la conexión de instalaciones eólicas.

(SEIN) which requires the review and update the technical criteria for connecting wind farms to SEIN published on January

En consecuencia, el 15 de enero del 2010 se publicó en el diario

15, 2010 in the official “El Peruano”.

oficial “El Peruano” la resolución 02-2010-OS/CD en el que se

Palabras clave

establece la inclusión de los “Requerimientos Técnicos de Conexión de las Instalaciones Eólicas a SEIN” como Anexo A en el Procedimiento Técnico Nº21 del COES: “Ingreso de Unidades de

Parques eólicos, turbinas eólicas, criterios técnicos.

Generación, Líneas y Subestaciones de Transmisión en el COESSINAC”, [6]

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

21

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

El sistema eléctrico nacional que presenta una configuración

instalaciones eólicas deberán disponer de sistemas de control

fundamentalmente radial y aislada, y por tanto, exige de un

que realicen un arranque y desconexión progresiva de las tur-

conjunto de rigurosos criterios técnicos de conexión para la

binas eólicas.

correcta integración de instalaciones eólicas al SEIN. El objetivo de los criterios de conexión es garantizar la participación

Adicionalmente, las instalaciones eólicas deberán disponer

del parque eólico en la operación y control del sistema eléc-

de sistemas de medición y registro con capacidad de enviar al

trico.

COES las medidas correspondientes a las diferencias entre la potencia activa total producible, de acuerdo a la velocidad del

Entre los criterios técnicos de conexión de las instalaciones

viento disponible, y la potencia activa total producida, así como

eólicas destacan: el control de potencia activa y reactiva, el

las diferencias entre la potencia activa total producida y el valor

control de potencia activa/frecuencia y de potencia reactiva/

de referencia exigido de la potencia activa total establecido por

tensión, la calidad de la energía eléctrica, los sistemas de pro-

el COES.

tección de las instalaciones eólicas, los sistemas de comunicación y control externo así como la respuesta transitoria de

El COES por motivos de seguridad y fiabilidad del sistema, se re-

las instalaciones eólicas ante la aparición de contingencias

serva el derecho de modificar los valores de control de potencia

severas (cortocircuitos bifásicos y trifásicos).

activa especificados en el numeral 5 del Anexo A. Las instalaciones eólicas deberán ser informadas de las modificaciones de

FUNDAMENTOS

los valores de referencia de control de potencia activa total producida y de las rampas de subida/bajada con suficiente antela-

En los siguientes apartados se describen las propuestas de

ción, al menos de 24 horas, para que puedan implementarlas en

actualización de los criterios técnicos de conexión de las

sus correspondientes sistemas de control. Las modificaciones

instalaciones eólicas, establecidos en el Anexo A del Proce-

de control de potencia solicitadas por el COES deberán ajustar-

dimiento Técnico Nº 21 y que serán de cumplimiento obli-

se a las características técnicas de las turbinas eólicas.

gatorio para todas las instalaciones eólicas que se conecten al SEIN.

Las exigencias de control de la potencia activa total producida dentro de los rangos especificados son aplicables a valores de

22

CONTROL DE POTENCIA ACTIVA

frecuencia que oscilen entre 59,4 y 60,6 Hz. Para valores de frecuencia diferentes a los anteriormente mencionados se deberá

Las instalaciones eólicas deberán tener capacidad de contro-

cumplir lo establecido en el artículo 7 del Anexo A.

lar la potencia activa total producida en el punto de conexión al SEIN. En función de la operación del sistema, y a solicitud

Los requisitos de control de potencia activa tanto en régimen

del COES, las instalaciones eólicas deberán ajustar la potencia

permanente como en condiciones de funcionamiento en emer-

activa total producida a un valor de referencia exigido. Dicho

gencia se especifican en los siguientes sub-apartados.

valor de referencia es el resultante del Despacho Económico (programa diario o su reprogramación), que consigna las esti-

Ajuste de la Potencia Activa

maciones de producción de parte de las instalaciones eólicas, conforme a los Procedimientos Técnicos del COES.

Las instalaciones eólicas deberán tener la capacidad de ajustar la potencia activa total producida al valor de referencia de

El COES podrá establecer un valor distinto al resultante del

potencia activa total exigido, establecido por el COES, en un

Despacho Económico, exclusivamente por razones de seguri-

tiempo máximo de 1 minuto, no obstante y siempre que esta

dad debidamente justificadas. Por tanto, las instalaciones eó-

velocidad de respuesta afecte a la estabilidad del sistema, se

licas deberán disponer de los dispositivos de control necesa-

permitirá un retraso en tiempo con respecto al valor propuesto

rios para responder a las solicitudes de ajuste de la potencia

que será definido por el COES.

activa total producida en todo el rango de potencias posibles en función de la disponibilidad de la velocidad del viento.

El desvío máximo del valor de referencia de la potencia activa exigido, establecido por el COES no deberá superar un ±5%

Las instalaciones eólicas deberán tener la capacidad de limi-

de la potencia total nominal registrada de la instalación eólica.

tar el valor de las rampas de subida o bajada (no relaciona-

La instalación eólica deberá garantizar la exigencia de ajuste a

da con la disminución de la fuente de energía primaria) de

un valor de referencia determinado de la potencia activa total

la potencia activa total producida. Dichas limitaciones a las

producida para valores de potencia activa que oscilen entre el

rampas deberán ser establecidas por el COES. Además, las

20-100% de la potencia activa total nominal registrada de la

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

instalación eólica, siempre en función de la disponibilidad de

Las instalaciones eólicas deberán tener capacidad de contro-

la velocidad del viento.

lar la potencia reactiva inyectada o consumida en el punto de conexión al SEIN, de acuerdo a los requerimientos técnicos es-

Si el control individual de las turbinas eólicas no es suficien-

tablecidos en el Anexo A. El COES deberá establecer las necesi-

te para ajustar la potencia activa total producida al valor de

dades de absorción/inyección de potencia reactiva en función

referencia exigido entonces se procederá a la desconexión

del Programa Diario de Operación o su reprogramación.

controlada de las turbinas.

La generación y consumo de potencia reactiva de la instalación Control de Rampas de Potencia Activa

eólica estará sujeta a las consignas del COES. En función de la operación del sistema, y a solicitud del COES, las instalaciones

La instalación eólica deberá garantizar una capacidad de re-

eólicas deberán ajustar la potencia reactiva generada o consu-

ducción de la potencia activa total producida hasta un valor

mida a los valores exigidos dentro de los rangos especificados.

inferior igual al 20% de la potencia activa total nominal registrada, limitada a una rampa de reducción ajustable en un

En relación a lo anteriormente indicado, la instalación eólica

rango entre el 10-100% de la potencia activa total nominal

deberá disponer de los dispositivos de control necesarios para

registrada por minuto.

responder a las solicitudes de ajuste de la potencia reactiva en un tiempo máximo de 30 segundos, en cualquier nivel de ge-

Asimismo, la instalación eólica deberá garantizar una capa-

neración de potencia activa, no obstante y siempre que esta

cidad de aumento de la potencia activa total producida limi-

velocidad de respuesta afecte a la estabilidad del sistema, se

tada a una rampa de aumento menor o igual al 10% de la

permitirá un retraso en tiempo con respecto al valor propuesto

potencia activa total nominal registrada por minuto.

a definir por el COES. El desvío máximo sobre la potencia reactiva de referencia establecida no deberá superar un ± 1% de la

Control de Arranque y Desconexión

potencia activa total nominal registrada de la instalación eólica.

Las instalaciones eólicas deberán garantizar que las turbinas

El cumplimiento de las exigencias de potencia reactiva es res-

no arranquen más de una vez en un periodo de tiempo máxi-

ponsabilidad exclusiva del titular de la instalación tanto cuando

mo de 10 minutos. Además, deberán garantizar una rampa

la instalación eólica inyecta potencia activa como cuando no

máxima de arranque inferior al 10% de la potencia activa to-

genera potencia activa.

tal nominal registrada por minuto.

Si para cumplir con las exigencias de generación/absorción de Las instalaciones eólicas deberán garantizar que en régimen

potencia reactiva, establecidas por el COES, es necesaria la ins-

de funcionamiento estable a velocidades superiores a 25 m/

talación de sistemas de regulación de potencia reactiva adicio-

seg, no se desconecten simultáneamente todas las turbinas.

nales, estos sistemas pueden ser estáticos o dinámicos. Asimis-

La desconexión total de la instalación eólica se deberá co-

mo, no se permiten escalones de potencia reactiva superiores

ordinar escalonadamente, de tal forma que se realice en un

al 2,5% de la de la potencia activa total nominal registrada de

periodo de tiempo no inferior a un minuto.

la instalación eólica.

Control de Potencia Activa en Condiciones de Emergen-

Los requisitos de generación o absorción de potencia reactiva

cia

tanto en régimen normal de funcionamiento como en condiciones anormales se especifican en los siguientes sub-aparta-

En condiciones de emergencia, el COES puede exigir una re-

dos.

ducción rápida de la potencia activa total producida. La instalación eólica deberá garantizar la capacidad de control indi-

Potencia Reactiva en Régimen Permanente

vidual de las turbinas que permita reducir la potencia activa total producida desde un valor del 100% hasta un intervalo

En régimen permanente, las instalaciones eólicas deberán equi-

de potencia entre el 10% y el 0% en un tiempo máximo de 3

parse con sistemas de control de potencia reactiva que permi-

segundos después de recibida la orden de reducción desde

tan ajustar el factor de potencia en el punto de conexión al SEIN.

el COES. Las instalaciones eólicas deben tener capacidad para garanti-

CONTROL DE POTENCIA REACTIVA

zar los valores máximos de factor de potencia mostrados en la figura 1 a diferentes niveles de generación de potencia activa. El

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

23

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

factor de potencia de 0,95 capacitivo (en adelanto) y de 0,95

admisible de subtensión de 0,9 p.u.

inductivo (en retraso) deberá mantenerse para los niveles de generación de potencia activa que varían entre el 20% y

Para valores de tensión superiores a 1,1 p.u. e inferiores a 0,9

100% de la potencia total nominal registrada de la instalación

p.u. las instalaciones eólicas deberán desconectarse por medio

eólica. Para valores de potencia activa total producida inferio-

de un sistema de protección, bajo responsabilidad del titular

res al 10% de la potencia activa total nominal, la instalación

de la instalación eólica, cuyos valores de retardo deberán ser

eólica podría operar dentro del área sombreada de la figura 1.

establecidos por el COES.

Se entiende que cuando la potencia activa total producida

En estado de emergencia, la instalación eólica deberá ser capaz

está por debajo del 10%, la instalación eólica puede traba-

de maximizar el factor de potencia capacitivo (en adelanto) e

jar con factor de potencia unidad. No obstante el COES po-

inductivo (en retraso) en el punto de conexión al SEIN.

dría solicitar operar a la instalación eólica dentro del rango de valores del factor de potencia, especificado por el área

En la figura 2, el área sombreada en rojo y azul, muestra el rango

sombreada, siempre que no se superen los límites de tensión

de operación del factor de potencia en estado de emergencia

admisibles en el lado de baja tensión de las turbinas eólicas

y en régimen permanente, respectivamente, que deberá garan-

o que el titular de la instalación eólica justifique la imposibi-

tizar la instalación eólica en el punto de conexión al SEIN para

lidad técnica de cumplir con las exigencias especificadas. Por

una potencia activa superior al 20% de la potencia activa total

otro lado, la generación/consumo de potencia reactiva con

nominal registrada. Estas condiciones son aplicables para valo-

potencia activa nula, sólo se podrá realizar a nivel de subesta-

res de frecuencia que oscilen entre 50,4 y 60,6 Hz.

ción transformadora.

La solicitud de control de la potencia reactiva, en régimen permanente, en el punto de conexión al SEIN, establecida por el COES, puede transmitirse en el Programa Diario de Operación o su reprogramación en el que se indique las consignas de referencia de la potencia reactiva en diferentes periodos

24

del día así como la duración de los mismos o como lo prevea el Procedimiento Técnico COES de Programación de la Operación de Corto Plazo.

Figura 1: Rango de operación del factor de potencia de la instalación

Figura 2: Rango de operación del factor de potencia de la instalación

eólica en régimen permanente.

eólica en estado de emergencia.

La exigencia de mantener la potencia reactiva de la instalación eólica dentro de los rangos establecidos, es aplicable a

CONTROL DE POTENCIA ACTIVA/ FRECUENCIA

valores de tensión en el punto de conexión al SEIN que oscilen entre 0,95 y 1,05 p.u.

Las instalaciones eólicas operan a una frecuencia nominal igual a 60 Hz. No obstante, se les permitirá operar en un rango entre

Potencia Reactiva en Condiciones Anormales

los 57,0 Hz y 62,0 Hz, con los siguientes tiempos máximos de operación:

En estado de emergencia, la tensión en el punto de conexión al SEIN puede superar el rango inferior de 0,95 o superior de 1,05 p.u.

• Entre 59,4 Hz y 60,6 Hz, deberá operar de forma continua, sin que se vea afectada la potencia activa total producida.

En condiciones de estado de emergencia, las instalaciones

• Entre 59,4 Hz y 58,4 Hz, y entre 60,6 Hz y 61,6 Hz, deberá

eólicas deberán mantenerse conectadas para un valor máxi-

mantenerse conectada un tiempo no superior a 60 minu-

mo admisible de sobretensión de 1,1 p.u. y un valor máximo

tos ni inferior a 30 minutos.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

• Entre 58,4 Hz y 57,8 Hz, y entre 61,6 Hz y 62,0 Hz, deberá

Asimismo, la instalación eólica deberá disponer de los sistemas

mantenerse conectada un tiempo no superior a 30 se-

de control necesarios para producir aumentos (siempre que la

gundos.

velocidad del viento lo permita, por ejemplo, incremento de la velocidad del viento que coincide con reducción de la frecuen-

• Entre 57,8 y 57,0 Hz, deberá mantenerse conectada un tiempo no superior a 10 segundos.

cia) o reducciones de la potencia activa total producida proporcionales al desvío de la frecuencia.

• Si la frecuencia es inferior a 57,0 Hz o superior a 62,0 Hz,

En la figura 4, se muestra que para una frecuencia superior a

deberá desconectarse en un tiempo no superior a 300 ms.

60,6 Hz, deberá ser capaz de reducir linealmente la potencia activa total producida hasta alcanzar un valor igual al 80% y al

En la figura 3, se muestra el tiempo máximo de operación

40% de la potencia activa total nominal registrada a una fre-

de las instalaciones eólicas en función de las variaciones de

cuencia de 61,6 Hz y 62,0 Hz, respectivamente.

la frecuencia del sistema y de la tensión en el punto de conexión, según lo establecido anteriormente. Se observa que para el intervalo de frecuencia entre 58,4 y 59,4 Hz y una tensión en el punto de conexión inferior a 95% o superior a 105% a la tensión nominal, la desconexión de la instalación se iniciará en un tiempo no inferior a 3 minutos.

El proceso de desconexión de la instalación eólica consistirá en la reducción de la potencia activa total producida en escalones de 25%Pnom. Así en 1,5 segundos se deberá reducir la potencia activa total producida hasta un 75%Pnom; hasta un 50%Pnom en 2 segundos; hasta un 25%Pnom en 2,5 segun-

Figura 4: Control de la potencia activa total producida por la instalación

dos, La desconexión de la instalación eólica se deberá realizar

eólica ante variaciones de frecuencia.

en 3 segundos.

Si durante el proceso de reducción de la potencia activa total producida, ocurre una reducción de la frecuencia, la instalación eólica deberá ser capaz de incrementar la potencia activa total producida con una rampa de aumento menor o igual al 10% de la potencia activa total nominal registrada por minuto, siempre en función de la disponibilidad de la velocidad del viento y de la variación de la reducción de la frecuencia.

En la figura 4, se muestra que para una reducción de frecuencia entre 59,4 Hz y 57,0 Hz, la instalación eólica deberá ser capaz incrementar linealmente la potencia activa total producida enFigura 3: Tiempo máxima de operación de la instalación eólica ante

tre un valor del 95% al 100% de la potencia activa total nominal

variaciones de frecuencia y tensión.

registrada, siempre en función de la disponibilidad de la velocidad del viento y de la variación del incremento de la frecuencia.

La instalación eólica deberá permanecer conectada ante variaciones de frecuencia de hasta ±2 Hz por segundo, referida

En situaciones excepcionales, y a solicitud del COES, las insta-

a la frecuencia nominal. No se permitirá la conexión de insta-

laciones eólicas deberán ser capaces de operar de forma in-

laciones eólicas mientras la frecuencia sea superior a 60,6 Hz.

tencionada por debajo de su potencia activa total producible y disponer de reserva secundaria en caso de reducción de la

El titular de la instalación eólica deberá adoptar las medidas

frecuencia.

de diseño y/o control necesarias para que ante aumentos y reducciones de la frecuencia en los rangos anteriormente de-

La instalación eólica deberá de ser capaz de recibir en tiempo

finidos. La instalación eólica deberá operar con los tiempos

real del COES consignas de referencia de potencia activa en re-

máximos especificados e iniciar el proceso de desconexión

serva a subir ó a bajar y reenviar al COES las medidas de reser-

sin sufrir daños.

vas reales disponibles en cada solicitud.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

25

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

El COES puede modificar las rampas de aumento/reducción

nal al error (desvío por unidad de la tensión respecto de

de la potencia activa total producida, en función de la evo-

la referencia de tensión) de acuerdo al siguiente esquema

lución de las necesidades de operación y control del sistema

de bloques simplificado de control de tensión en régimen

eléctrico ante una alta penetración de energía eólica o en si-

permanente:

tuaciones de condiciones de emergencia.

Las consignas de referencia deben ser implementadas por la instalación eólica en un periodo máximo de 1 minuto después de recibir la señal apropiada del COES.

CONTROL DE POTENCIA REACTIVA/ TENSIÓN El sistema de control de tensión de la instalación eólica deberá permitir el ajuste de la tensión en el punto de conexión al SEIN en correspondencia al valor de referencia establecido

Figura 5: Diagrama de bloques orientativo del sistema de control de

por el COES. El sistema de control de tensión se apoya en el

tensión de una instalación eólica.

sistema de control de potencia reactiva, es decir, en la capacidad del parque de modificar su inyección o consumo de

Donde Vc es el valor de referencia de la tensión eficaz, V es la

potencia reactiva, según lo especificado en el Artículo 6° del

tensión eficaz en el punto de conexión. La constante K repre-

Anexo A.

senta la ganancia proporcional y T representa a la constante de tiempo. La corriente reactiva en p.u., que se entrega al SEIN en

26

Las instalaciones eólicas deberán mantenerse conectadas

base a la corriente aparente nominal es Ir, estando esta inten-

ante variaciones de la tensión en un rango de ± 10% de la

sidad, limitada tanto superior como inferiormente, en función

tensión nominal.

de la tensión V.

Asimismo, deberán disponer de un sistema de control de ten-

• La capacidad de absorción/inyección de potencia reactiva

sión con una respuesta similar a un regulador automático de

de la instalación eólica será proporcional a un intervalo si-

tensión. El sistema de control de la instalación eólica deberá

métrico de tensión alrededor de la tensión nominal (± ΔV=

permitir el ajuste de la tensión a un valor de referencia esta-

±5%).

blecido por del COES. El sistema de control de tensión deberá actuar continuamente para regular la tensión ajustando el

• La capacidad mínima de absorción/inyección de potencia

valor de la potencia reactiva dentro de los rangos especifica-

reactiva deberá mantenerse mientras la instalación eólica

dos en el Artículo 6° del Anexo A.

esté acoplada y entregando un valor de potencia activa superior al 20% de la potencia nominal registrada de la

Si para cumplir con las exigencias de control de tensión, esta-

instalación. Para un valor inferior a esa potencia activa, la

blecidas por el COES, es necesaria la instalación de sistemas

capacidad mínima de absorción e inyección de potencia

de regulación de potencia reactiva adicionales, estos siste-

reactiva podrá decrecer linealmente hasta el punto de po-

mas pueden ser estáticos o dinámicos y formarán parte del

tencia reactiva nula con potencia activa nula.

sistema de control de tensión de la instalación eólica.

• Fuera del rango de tensiones 1-ΔV ≤ V ≤ 1+ΔV el sistema de Control de Tensión en el Punto de Conexión al SEIN

control de la instalación eólica mantendrá la acción de control dentro de los márgenes de inyección/absorción de

La instalación eólica deberá disponer de los equipos nece-

potencia reactiva que la producción de potencia activa lo

sarios para realizar un control de la tensión en punto de co-

permita.

nexión al SEIN a un valor de referencia de tensión establecido por el COES. El sistema de control de la instalación eólica debe cumplir con los siguientes requisitos:

• La velocidad de respuesta en potencia reactiva del regulador de tensión de régimen permanente será tal que la actuación del mismo deberá haberse completado antes

• La implementación técnica del sistema de control debe

de 30 segundos. No obstante, se permite que la velocidad

comportarse en su conjunto como un control proporcio-

de respuesta del sistema de control de tensión en potencia

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

reactiva se realice en función de un porcentaje de la po-

En el presente apartado se establecen los requisitos mínimos

tencia activa, Q=(20%Pnom)/min, siempre que exista pe-

que han de cumplir las protecciones de las instalaciones eóli-

ligro de disparo de protecciones por picos de intensidad

cas a efectos de garantizar la continuidad de suministro frente

o variaciones rápidas de tensión.

a huecos de tensión.

• El error en régimen permanente de la tensión será tal que la tensión en el punto de conexión a red se mantenga dentro de la banda de variación admisible que el COES establece para la referencia de tensión, mientras el sistema de control no esté saturado en los límites de inyección/absorción de potencia reactiva.

Adicionalmente, la instalación eólica deberá ser capaz de

Las instalaciones eólicas deberán garantizar que ante a huecos de tensión se cumpla que: • Los sistemas de protección no la desconectan como consecuencia de la aparición de huecos de tensión en el punto de conexión asociados a cortocircuitos despejados según la curva tensión-tiempo indicada en el numeral 9.1 del Anexo A.

realizar la función de control a un valor de referencia de la

• Los consumos de potencia y energía (activa y reactiva) en

potencia reactiva o del factor de potencia con la misma ve-

el punto de conexión, durante la duración del hueco de

locidad de respuesta que en la función de control a un valor

tensión y el período de recuperación posterior al despeje

de referencia de tensión. La función de control concreta será

de una falta equilibrada o desequilibrada, se deberán en-

indicada por el COES en función de las condiciones de ope-

contrar dentro de los límites establecidos en la tabla 1 y 2,

ración del SEIN.

respectivamente, del numeral 9.3 del Anexo A.

La instalación eólica deberá ajustar la potencia activa total

Perfil de Huecos de Tensión

producida a la potencia activa total programada mientras el recurso primario lo permita y esté en funcionamiento el siste-

La instalación eólica y todos sus componentes adicionales

ma de control de régimen permanente, independientemente

deberán ser capaces de soportar, sin desconectarse, cualquier

de que la función de control sea a un valor de referencia de

perturbación severa transitoria en la tensión (en módulo y/o en

tensión, de potencia reactiva o de factor de potencia.

ángulo) en el punto de conexión, causados por cortocircuitos o por cualquier causa de otra naturaleza sin presencia de faltas,

La función de control del valor de referencia de tensión, de

con los perfiles de magnitud y duración del hueco de tensión

la potencia reactiva o del factor de potencia en el régimen

de la figura 6.

permanente cederá sus funciones durante los regímenes transitorios ante severas perturbaciones al equipo regulador

Por tanto, no se deberá producir la desconexión de la instala-

de tensión del régimen transitorio.

ción eólica ni en la parte superior a la envolvente dibujada por la línea roja (continua y discontinua) ni en la parte inferior di-

Transformadores de Regulación en Carga

bujada por la línea verde continua de la figura 6. La línea roja (continua y discontinua) representa los valores de la tensión de

La instalación eólica debe disponer de un transformador con

fase a tierra en p.u. de las fases afectadas por una falla, en caso

regulación bajo carga que permita adecuar la tensión de la

de cortocircuitos trifásicos, bifásicos a tierra y monofásicos, para

red de media tensión a la tensión del punto de conexión al

los cuales la instalación eólica conectada.

SEIN. El mencionado transformador deberá permitir ajustar la tensión en el lado de media tensión a un valor de 1,0 p.u. ante las variaciones de la tensión en el punto de conexión al SEIN. Sin embargo, el transformador con regulación bajo carga no puede ajustar las variaciones de tensión que aparecen durante una perturbación severa, por lo que después de la perturbación, la tensión en el lado de media tensión del transformador puede causar la desconexión generalizada de las turbinas eólicas.

CONTINUIDAD DE SUMINISTRO ANTE CONTINGENCIAS SEVERAS

Figura 6: Curva de tensión-tiempo admisible por fase en el punto de conexión al SEIN.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

27

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

Los perfiles y duración del hueco de tensión, establecidos en

ducible con un gradiente mínimo del 30% de la potencia activa

la figura 6, están relacionados con la instalación de una po-

total nominal registrada por segundo.

tencia eólica inferior al 5% de la potencia de cortocircuito en el punto de conexión. De la figura 6, se deduce que la instala-

Las instalaciones eólicas deberán equiparse con dispositivos

ción eólica deberá soportar en el punto de conexión:

de protección de tensión por fase cuyas magnitudes de ajuste se adapten a las exigencias descritas en este numeral.

• Cortocircuitos trifásicos con una profundidad de hueco de tensión de 0% y una duración de 150 milisegundos,

tEl cumplimiento de las exigencias de continuidad de suminis-

línea roja continua de la figura 6.

tro ante huecos de tensión es responsabilidad exclusiva del titular de la instalación. El titular de la instalación deberá adoptar

• Cortocircuitos trifásicos con una profundidad del hueco

las medidas de diseño y/o control necesarias para que la misma

de tensión de 20% y una duración de 650 milisegundos,

cumpla con los criterios técnicos establecidos ante huecos de

línea roja discontinua de la figura 6.

tensión.

• Cortocircuitos bifásicos de con una profundidad de hue-

El cumplimiento del comportamiento exigido durante corto-

co de 50% y una duración de 650 milisegundos, línea azul

circuitos deberá ser evaluado y verificado

continua de la figura 6.

acreditados o entidades acreditadas. El COES se reserva el de-

por laboratorios

recho de proponer modificaciones en la respuesta transitoria Una vez despejada la falta, la tensión en el punto de conexión

de la instalación eólica para mantener la continuidad de sumi-

se deberá recuperar al 85% de su valor nominal en un tiempo

nistro ante huecos de tensión y las instalaciones eólicas debe-

máximo de 3 segundos desde el inicio de la falta. Si la tensión

rán adaptarse a esas exigencias.

se recupera al valor de 85% en el tiempo indicado, pero se mantiene por debajo del 90% durante un tiempo superior a 3

Durante la duración del hueco de tensión, la instalación eóli-

minutos se iniciará la desconexión de la instalación.

ca debe garantizar que no se consuma potencia reactiva. Las excepciones puntuales de consumo de potencia reactiva son

El proceso de desconexión de la instalación eólica consistirá

28

especificadas en el numeral 9.3 del Anexo A.

en la reducción de la potencia activa total producida en escalones de 25%Pnom, de tal forma que se alcance un 75%Pnom

Inyección de Corriente durante el Hueco de Tensión

en 1,5 segundos; 50%Pnom en 2 segundos, 25%Pnom en 2,5 segundos, la desconexión de la instalación eólica se deberá

La aportación de intensidad reactiva por parte de la instalación

realizar en 3 segundos.

en el punto de conexión, durante el hueco de tensión, se deberá efectuar de tal forma que el punto de funcionamiento sea

La reconexión de la instalación eólica se realizará cuando la

ajustado por un sistema de control automático de tensión con

tensión en el punto de conexión supere el valor de 95% y con

un principio de funcionamiento similar al sistema de control

una rampa del 10% de la potencia total nominal registrada

de tensión de los generadores síncronos convencionales cum-

por minuto.

pliendo los siguientes requisitos:

Además, la instalación eólica y todos sus componentes adi-

• El sistema de control debe iniciar inmediatamente su fun-

cionales deberán permanecer conectados ante sobretensio-

cionamiento en el momento en que la tensión eficaz en el

nes en una o en todas sus fases cuya tensión eficaz a tierra en

punto de conexión se reduce por debajo del valor de 0,85

el punto de conexión alcance un 1,15 p.u. durante 250 ms ó

p.u., como se especifica en la figura 7, donde se presenta

una sobretensión permanente de 1,1 p.u.

la curva de intensidad reactiva admisible frente al perfil del hueco de tensión en valores por unidad, en el punto de co-

La instalación eólica deberá garantizar una recuperación

nexión.

escalonada de la potencia activa para evitar oscilaciones de tensión y sobretensiones una vez despejada la falla.

• En el rango de tensión entre 0,85 p.u y 0,5 p.u., la inyección de intensidad reactiva se deberá realizar de tal forma

La rampa de recuperación de potencia activa deberá entrar

que se localice de la zona gris de la figura 7. La inyección

en acción cuando la tensión en el punto de conexión alcance

de intensidad reactiva en el rango de tensión indicado se

el 85% de su valor anterior a la falta y alcanzar en menos de

efectuará de tal forma que la intensidad reactiva aportada

tres segundos al menos el 90% de la potencia activa total pro-

por la instalación alcance al menos el 90% de la intensidad

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

nominal entre los 50 y 150 milisegundos desde la detec-

inmediatamente posterior al despeje de la falta, se definen tres

ción de la falla o desde el despeje de la falta.

zonas claramente diferenciadas.

La zona A correspondería a los primeros 150 ms después del inicio del hueco de tensión, la zona B se define como el periodo desde los 150 ms hasta los 650 ms de duración del hueco mientras que la zona C corresponde a los 150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla. En la figura 8, se muestra de forma esquemática las zonas diferenciadas de un hueco de tensión y los límites establecidos de consumos de energía y potencia (activa y reactiva) e intensidad reactiva de una instalación eólica ante un hueco bifásico y trifásico. En el caso del cortocircuito trifásico con una duración del hueco de tensión de 150 ms, no existe zona B. La instalación eólica no podrá consumir potencia activa ni potencia reactiva durante el periodo de duración del hueco de

Figura 7: Curva de intensidad reactiva Ir – tensión en el punto de conexión al SEIN.

tensión y el periodo de recuperación de tensión hasta un valor de 0,85 p.u.

• En el rango de tensión entre 0,85 p.u y 0,5 p.u., la inyec-

No obstante lo indicado en el párrafo anterior se admiten con-

ción de intensidad reactiva se deberá aproximar a una

sumos puntuales de potencia activa y reactiva durante los 150

pendiente de inyección de intensidad reactiva/tensión

ms inmediatamente posteriores al inicio del hueco de tensión

predeterminada, línea verde de la figura 7. Para el hueco

y los 150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la falla.

de tensión definido se establece una pendiente de in-

Los consumos puntuales de potencia activa y reactiva son di-

yección de intensidad igual a 2%Ireactiva por 1%Vnom.

ferentes en el caso de cortocircuitos trifásicos o bifásicos. Los consumos puntuales de potencia/energía (activa y reactiva)

• Para un cortocircuito trifásico con tensión inferior al 20%, en el periodo correspondiente a esa profundidad de

tanto para cortocircuitos trifásicos y bifásicos se definen en los numerales 9.3.1 y 9.3.2, respectivamente del Anexo A.

hueco, se permite que la inyección de intensidad aparente sea igual a cero, línea roja punteada de la figura 7.

• Durante los primeros 150 milisegundos inmediatamente posteriores al despeje de la falta, el consumo neto de intensidad reactiva de la instalación, en cada ciclo, no deberá ser superior a 1,5 veces la intensidad correspondiente a su potencia nominal registrada.

• La maximización de intensidad reactiva deberá continuar al menos hasta que la recuperación de la tensión alcance niveles de operación en régimen normal.

Figura 8: Zonas diferenciadas del hueco de tensión para los límites de

• Para los valores de tensiones en el rango 0,9 ≤ V ≤ 1,0 p.u.

consumo de energía/potencia activa y reactiva.

la corriente reactiva inyectada/absorbida Ir responderá a lo establecido en el control de potencia reactiva, relacio-

El estudio de la respuesta transitoria de un parque eólico de

nado con la operación en régimen permanente.

velocidad variable consiste en realizar los siguientes estudios:

Consumos de Potencia/Energía Activa y Reactiva

• Faltas Equilibradas

En relación a los consumos puntuales de energía y potencia

Se admiten consumos puntuales de potencia reactiva du-

(activa y reactiva) durante el hueco de tensión y el período

rante los 150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

29

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

falla y los 150 ms inmediatamente posteriores al despeje

Sistema de Registro de Contingencias

de la misma.

La instalación eólica deberá contar con sistemas de registro de Los consumos de energía y potencia (activa y reactiva) ad-

contingencias. Estos dispositivos deben tener la capacidad de

misibles para una instalación eólica durante un corto-

almacenar en memoria la información más relevante de una

circuito equilibrado se presentan de forma esquemática

falta con suficiente velocidad de respuesta, por lo que debe

en la tabla 1.

contar con la función de medición sincronizada de fasores. Los lugares idóneos para la instalación de estos dispositivos de

• Faltas Desequilibradas

medición son el transformador de potencia de la subestación transformadora y la línea de transmisión de evacuación de la

Al igual que en el caso de las faltas equilibradas, se admi-

instalación eólica.

ten consumos puntuales de potencia reactiva durante los 150 ms inmediatamente posteriores al inicio de la falta y

CONCLUSIONES

los 150 ms inmediatamente posteriores al despeje de la En el presente artículo, se presenta de manera resumida los

misma.

criterios técnicos de conexión de las instalaciones eólicas al sistema eléctrico peruano. Los criterios técnicos propuestos priorizan la seguridad del sistema eléctrico dada la configuración altamente radial y poco mallada del SEIN. Los criterios técnicos de conexión establecidos para las instalaciones eólicas que se construirán en el Perú son obligatorios y están orientados fundamentalmente a que las turbinas eólicas a ser instaladas tengan la capacidad de regular potencia activa y reactiva y la capacidad de mantener la continuidad de suministro ante huecos de tensión y a preservar la seguridad

30

de suministro en el SEIN. Tabla 1: Consumo de energía y potencia (activa y reactiva) ante una falta equilibrada.

Los parámetros y factores establecidos como requerimientos técnicos corresponden a valores que recogen la experiencia

Los consumos de energía y potencia (activa y reactiva) admi

internacional comparada y actualizada; asimismo, dichos pará-

sibles para una instalación eólica durante un cortocircuito

metros y factores podrían ser revisados una vez que se tenga

desequilibrado se presentan de forma esquemática en la ta-

experiencia en la operación de las instalaciones eólicas en el

bla 2.

País.

REFERENCIAS [1] Decreto Legislativo Nº 1002: Promoción de la Inversión para la Generación de Electricidad con el Uso de Energías Renovables, mayo 2008.

[2] Decreto Supremo Nº 050-2008-EM: Reglamento de la Generación de Electricidad con Energías Renovables, octubre 2008.

[3] Decreto Supremo Nº 027-2008-EM: Reglamento del CoTabla 2: Consumo de energía y potencia (activa y reactiva) ante una

mité de Operación Económica del Sistema, mayo 2008.

falta desequilibrada.

[4] Ley Nº 28832, Ley para Asegurar el Desarrollo Eficiente de la Generación Eléctrica, julio 2006.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

RÍOS, Alberto. “Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN”

[5]

Resolución de Consejo Directivo Nº 049-99-EM/DGE: Norma Técnica para la Coordinación de la Operación en Tiempo Real de los Sistemas Interconectados.

[6]

Resolución Directoral Nº 002-2010-OS/CD del 15 de Enero de 2010. “Modificación del Procedimiento Técnico del COES Nº 21 ‘Ingreso de Unidades de Generación, Líneas y Subestaciones de Transmisión en el COES-SINAC’ y Anexo A: ‘Requerimientos Técnicos de Conexión de las Instalaciones Eólicas al SEIN’”.

ACERCA DEL AUTOR Alberto Ríos Villacorta. Ingeniero Eléctrico en la especialidad de Sistemas y Redes Eléctricas por el Instituto Politécnico de Bielorrusia en el año 1993. Máster en Energías Renovables por la Universidad Europea de Madrid en el año 2004. Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid en el año 2007. Director Técnico de Energy to Quality, Laboratorio de Ensayos de Turbinas Eólicas y Simulaciones de Parques Eólicos, entre 2005 y 2006. Director del Máster Oficial en Energías Renovables de la Universidad Europea de Madrid entre 2007 y 2011. Sus áreas de interés son el modelado dinámico de sistemas de generación eléctrica y los estudios de integración de sistemas renovables.

Original recibido: 05 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 27 de abril de 2012

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

31

Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales Attack Mitigation “Man in the Middle” in Local Networks Mario Surco, Tecsup

Resumen

Palabras clave

En este artículo se analiza el ataque y mitigación de un méto-

Seguridad, LAN, ARP, CISCO, Spoofing, Switch, Ataque Hombre

do de hackeo conocido como “Hombre en el medio”.Este tipo

en el Medio

de ataque es común en las redes informáticas de área local (LAN), puede ser desencadenado tanto por personal interno

Key words

o externo de una organización, de forma accidental o intencional. El hacker puede conseguir con este tipo de ataque redireccionar todo el trafico del cliente al atacante, logrando así obtener información confidencial o modificar las comuni-

Security, LAN, ARP, CISCO, Spoofing, Switch, Man in the Middle

INTRODUCCIÓN

caciones que realiza el cliente.

La seguridad informática es un tema de vital importancia para En la parte final se describe algunos métodos para prevenir

las empresas de cualquier sector, por ello, éstas invierten en

este tipo de ataques, desde el punto de vista de la gestión de

software y hardware para asegurar que la información que en-

la seguridad o también a través de equipamiento.

tra y sale de una red corporativa este a buen recaudo.

Abstract

La solución a este problema, es trabajar con los usuarios finales y con los dispositivos de comunicación de la red interna.

This paper analyzes the attack and mitigation of a hacking method named “Man in the middle”. This type of attack is com-

En este trabajo se revisa brevemente la norma peruana NTP-

mon in local area networks, it can be triggered by internal or

ISO/IEC 17799:2007 que establece la metodología para la se-

external people of a organization, accidentally or intentional.

guridad física y la organización que se debe de realizar en la

The hacker can be achieved with this type of attack redirect

institución para asegurar la red interna. También se analizará el

all the traffic from the client to the attacker, thus achieving

método de ataque “Hombre en el Medio” (Man-In-The-Middle)

obtain confidential information or modify communications

de tipo ARP Spoofing y se explicará cómo contrarrestarlo utili-

that make the client.

zando dispositivos de comunicación.

At the end of the paper is describing some methods to pre-

FUNDAMENTOS

vent this type of attack under security management and equipment perpespective.

En la actualidad las empresas necesitan estar conectadas a Internet para poder publicar y consumir servicios de la Web,

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

33

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

normalmente nos preocupamos de asegurar el acceso desde

formática, que mediante ingeniería inversa realiza seriales,

la red pública hacia los servicios y usuarios de la red interna

keygens y cracks; los cuales sirven para modificar el com-

pero dejamos de lado la seguridad y protección dentro de la

portamiento o ampliar la funcionalidad del software o

misma.

hardware original. Otro grupo de ellos, se dedica a violar

¿Qué puede ocurrir en la red interna?

la seguridad en sistemas informáticos de forma similar a como lo haría un hacker; con la diferencia que el cracker lo realiza con fines de beneficio personal o para hacer daño.

La red interna es el punto más susceptible en las empresas, ya que no se puede determinar el comportamiento del usua-

Una forma de controlar a estos usuarios es monitoreando

rio. El usuario final puede reaccionar ante diferentes emocio-

y restringiendo sus acciones, o también concientizando al

nes pudiendo comprometer la seguridad de la red; algunas

usuario de las consecuencias de sus acciones.

catalogaciones utilizadas en la red para denominar a estos usuarios son:

¿Qué problemas podrían causar los diferentes tipos de usuarios?

• El usuario Lammer, La gran parte de los problemas son ocasionados al área de sisSon usuarios con pocos conocimientos de informática,

tema y a los usuarios en general, entre los problemas más usua-

que podrían hackear a otros usuarios al probar cualquier

les podemos encontrar:

software descargado de internet.

• Consumo innecesario de los recursos del área de sistemas • El usuario SCRIPT KIDDIE • Comprometen la seguridad de la información de la empresa Son simples usuarios de la red, sin conocimientos de hack o crack pero con afición a estos temas; se dedican a

• Consumo innecesario del ancho de banda de la red

recopilar información de la red y buscar programas que luego los ejecutan, infectando en muchos casos con virus

34

a los equipos.

• El usuario común (los más difíciles de controlar)

• Saturación de los servicios de red en la empresa

¿Cómo se puede asegurar la red interna?

Muchos usuarios de forma ingenua saturan el ancho de

La respuesta es simple, concientizando al usuario y con inver-

banda de la red interna y el acceso a internet, esto lo con-

sión en equipos de comunicación.

siguen al escuchar música y reproducir videos musicales desde sitios Web, descargando software innecesario,

El primer paso para asegurar la red, es comprometer formal-

estando interconectado con otros usuarios de la misma

mente a la gerencia, una alternativa para realizar esta tarea es

empresa a través de software de mensajería instantánea,

siguiendo las recomendaciones de la norma técnica peruana

al tener presencia activa en las redes sociales, reenviando

NTP-ISO/IEC 17799 [2], que indica:

cadenas de correo electrónico, etc.

“La gerencia debería establecer de forma clara las líneas de la polí• El usuario hacker

tica de actuación y manifestar su apoyo y compromiso a la seguridad de la información, publicando y manteniendo una política de

Experto en redes y seguridad que accede a sistemas a los

seguridad en toda la organización”.

que no tiene autorización, sin ánimo de causar daño, generalmente para aprender más y superarse a sí mismo.

Estas políticas, según NTP-ISO/IEC 17799, establecen implementar un comité de seguridad conformado por el encargado

Están orientados a la seguridad informática, programa-

de sistemas, encargados de las distintas áreas y la gerencia. Este

ción y diseño de sistemas.

comité deberá establecer, velar por el cumpliendo y actualizar las normas según los nuevos requerimientos.

• El usuario cracker Otro de los puntos que recomienda la norma, es realizar capaEste es un usuario con conocimientos avanzados de in-

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

citaciones periódicas de seguridad informática a los usuarios

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

finales, con el fin de concientizarlos en las buenas prácticas

el mismo segmento físico, la dirección IP del host de destino

para desarrollar un trabajo seguro.

debe traducirse en una dirección MAC. Esta es la dirección de hardware de la tarjeta Ethernet que está conectado físicamente

Con respecto a la inversión en equipos de comunicación, la

a la red. Para ubicar al host de destino se utiliza el protocolo de

empresa debe de utilizar como base la pirámide tecnológica

resolución de direcciones (ARP), ver figura 2.

(ver figura 1).

Figura 2: Proceso de consulta ARP Fuente: Elaboración propia Figura 1: Pirámide Tecnológica Fuente: Elaboración propia

Cuando un host tiene que conocer la dirección Ethernet de otro host, envía una trama de broadcast, similar a la siguiente.

Esta pirámide indica, cuando se logra una robusta base en la capa de comunicaciones podremos obtener mayor esta-

01:20:14.833350 arp who-has

bilidad en las capas superiores. Por ello, se debe realizar una

192.168.50.1 tell 192.168.50.11

mayor inversión en la capa de comunicaciones porque solo así se podrá estabilizar la red.

Figura 3: Request ARP Fuente: ebook Network Security Hacks

35

Los dispositivos más importantes que trabajan en la red interna son los APs y los switch de capa 2 y 3. Para disponer

Dado que este requerimiento es enviado a la dirección broad-

los equipos de comunicación, CISCO recomienda utilizar el

cast, todos los dispositivos Ethernet en el segmento local deben

modelo ECNM (Enterprise Composite Network Model), es un

de recibir la solicitud. La maquina que coincide con la solicitud,

modelo jerárquico, que divide la red en áreas física, lógica y

responderá enviado un response ARP, igual a la figura 4:

funcional. [3]

¿Cómo atacar a la red interna?

01:20:14.833421 arp reply 192.168.50.1 is-at 0:0:d1:1f:3f:f1

Una de las mayores amenazas de las redes informáticas, es un

Figura 4: Response ARP

equipo intruso haciéndose pasar por un equipo de confianza.

Fuente: ebook Network Security Hacks

Una vez que el intruso logre ingresar a la red, puede realizar varias acciones que perjudique a los usuarios y sobre todo a

Dado que el request ARP ya contiene la dirección MAC del remi-

la empresa. Por ejemplo, puede interceptar y registrar el tra-

tente en el frame Ethernet, el receptor puede enviar su respues-

fico destinado a los servicios de red o puede esperar a que los

ta sin hacer una nueva petición ARP y la tabla CAM del Switch

clientes empiecen a enviar información confidencial.

es actualizada automáticamente.

Suplantar un cliente de red tiene consecuencias especial-

El mayor problema del protocolo ARP es que no implementa

mente graves en las redes IP, ya que abre otras posibilidades

estado, esto significa que no hace un seguimiento de las res-

de ataque. Una de las técnicas de suplantación de host en

puestas a las solicitudes que se envían, por lo que acepta las

una red IP es a través de ARP Spoofing (Protocolo de Resolu-

respuestas sin haber enviado una solicitud.

ción de Direcciones). ARP Spoofing solo se limita a los segmentos de red de área local.

El atacante podría recibir el tráfico destinado a otro host, enviando paquetes response ARP a la dirección IP de la víctima

Cuando un datagrama IP se envía desde un host a otro en

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

con la dirección MAC del atacante, como lo muestra la figura 5.

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

La maquina que recibe estos paquetes no puede distinguir-

mas que intercambia las victimas pasen primero por su

los de los legítimos response ARP y comenzara a enviar los

equipo.

paquetes a la dirección MAC del atacante.

Metodología Para esta prueba se implemento la siguiente topología:

Figura 5: Proceso ARP Spoofing Fuente: Elaboración propia Coordinar

Otro problema de este protocolo, son las tablas ARP que se generan en los host y el switch, ya que solo utilizan la última respuesta.

Figura 6: Diagrama de red Fuente: Elaboración propia

Si el atacante inunda a un host con este tipo de respuestas ARP, puede consigue sobre escribir las direcciones legítimas, este tipo de ataque se conoce como ARP Spoofing.

El diagrama anterior muestra una conexión típica de un usuario a Internet, la conexión se realiza a través del Switch de capa 3.

36

Entre los ataques más peligrosos y difíciles de controlar, están

La puerta de enlace del usuario esta direccionada a la interfaz

los generados a través de ARP Spoofing, este tipo de técnica

fastethernet del router.

puede ser utilizada para generar otros ataques como: El tipo de ataque a generar es “Hombre en el medio”, este es • CAM Table Overflow: Los switchs guardan las asociacio-

uno de los más difíciles de controlar ya que se desarrolla en la

nes MAC-Puerto e información de VLAN a medida que

red interna y el único dispositivo de red que se encuentra en

las aprenden en una tabla llamada CAM, al saturar esta

el camino es el Switch de comunicaciones. Para lograr esto se

tabla el switch envía los paquetes a todos los puertos del

utilizara la herramienta Arpspoof, el cual se encuentra dentro

dispositivo; después de concretarse este tipo de ataque,

del paquete de herramientas Dsniff, corriendo bajo el sistema

el Switch se comporta como un HUB para cualquier MAC

operativo Linux.

que no haya aprendido.

Al demostrar cómo se realiza un ataque por ética se debe de • Switch Port Stealing: El atacante consigue que todas las

enseñar cómo proteger del ataque generado. Este tipo de ata-

tramas dirigidas hacia otro puerto del switch lleguen al

que puede ser controlado a través de diferentes métodos, entre

puerto del atacante para luego re-enviarlos hacia su des-

ellos podemos encontrar:

tinatario. De esta forma el atacante puede monitorear el tráfico que viaja desde el remitente hacia el destinatario.

• Configurar la tabla ARP de forma estática en el sistema operativo. Los sistemas operativos Windows y Linux, so-

• Secuestro (Hijacking): El atacante logra redirigir el flujo de tramas entre dos dispositivos hacia su equipo.

• Denial of service (DoS): El atacante puede hacer que un

porta entradas estáticas en la tabla ARP. El comando utilizado para realizar esta tarea es: arp –s <IP> <MAC>

equipo crítico de la red tenga una dirección MAC inexistente.

Esta solución podría ser viable para redes muy pequeñas, para redes medianas a grandes ya no es factible ya que la

• Man in the Middle: El atacante logra que todas las tra-

administración se volvería muy compleja y se perdería escalabilidad y flexibilidad.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

• Monitorear la red a través de sniffer como WireShark, esta solución consume muchos recursos y solo se podría registrar el ataque realizado.

• Monitoreo automático en el cliente, existe aplicaciones que se pueden instalar en clientes tanto Windows o Li-

0:c:29:1:a6:bb 0:c:29:70:7d:2d 0806 42: arp replay 192.168.50.1 is-at 0:c:29:1:a6:bb Figura 8: Envenenamiento ARP realizado a la puerta de enlace Fuente: Elaboración propia

nux que constantemente verifican los Event y Firewall logs alertando cualquier cambio de la dirección MAC de la puerta de enlace. Esta solución requiere usuarios con conocimientos avanzados.

• Cifrar el contenido de la comunicación, esta solución es factible en comunicaciones punto a punto, ejemplo VPN, consumo de servicios https entre otros.

• Filtrar el trafico de paquetes en dispositivos de la red LAN, esta solución es la más recomendable por que bloquea-

Ahora el cliente habrá llenado su tabla ARP, se puede observar en la figura 9, que la puerta de enlace y el atacante tiene la misma dirección MAC, comparar con la figura 6.

C:\>arp –a Interfaz: 192.168.50.140 --- 0x2 Dirección IP

Dirección física

Tipo

192.168.50.1

0:c:29:1:a6:bb

dinámico

192.168.50.120

0:c:29:1:a6:bb

dinámico

ría el puerto al primer intento de realizar el ARP Spoofing

Figura 9: Tabla ARP de PC Usuario Fuente: Elaboración propia

En la PC atacante, se habilita la capacidad de reenvío de paquetes, esto se logra con el comando: #echo 1 >/proc/sys/net/ipv4/ip_forward

En el cliente se ha instalado el software Wireshark, para realizar el análisis del tráfico en la red, en la figura 4 se muestra como el atacante envía constantemente paquetes ARP indicando que la

Ahora se procede a envenenar la cache ARP de la maquina

dirección IP de la puerta de enlace tiene la dirección MAC del

Usuario, lo que se busca es que el usuario piense que la IP de

atacante.

puerta de enlace está relacionada con la MAC de la maquina del atacante:

Este ataque también afecta al switch, ya que el dispositivo aprende las direcciones MAC del mismo tráfico ARP que pasa

#arpspoof -i eth0 -t

por sus puertos.

192.168.50.140 192.168.50.1

Luego de que se ha logrado colocar al atacante en el medio,

0:c:29:1:a6:bb 0:c:29:c6:dd:8d

existe una gran variedad de software que puede ser utilizado

0806 42: arp replay 192.168.50.1

para capturar o analizar el tráfico que sale o ingresa del cliente.

is-at 0:c:29:1:a6:bb

En esta prueba se utiliza la aplicación urlsnarf el cual se encuen-

0:c:29:1:a6:bb 0:c:29:c6:dd:8d

tra dentro de la herramienta Dsniff.

0806 42: arp replay 192.168.50.1 is-at 0:c:29:1:a6:bb

Urlsnarf registra todas las referencias a URL existentes en el tráfico capturado, con la posibilidad de mostrarlo en pantalla

Figura 7: Envenenamiento ARP realizado al cliente

o guardarlo en forma de archivo de texto. La figura 10 muestra

Fuente: Elaboración propia

la salida de la aplicación urlsnarf cuando el cliente ingresa a la página web de Tecsup por ejemplo.

Hasta el momento solo se ha capturado el trafico que va del usuario a la puerta de enlace, ahora se debe realizar lo mismo, pero para el trafico que va de la puerta de enlace al usuario. #arpspoof -i eth0 -t 192.168.50.1 192.168.50.140

Figura 10.: Salida de la aplicación urlsnarf Fuente: Elaboración propia

0:c:29:1:a6:bb 0:c:29:70:7d:2d 0806 42: arp replay 192.168.50.1 is-at 0:c:29:1:a6:bb

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

¿Cómo proteger este tipo de ataques?

37

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

Para tener una red LAN segura de cualquier tipo de ataques, se recomienda utilizar un diseño jerárquico como el que recomienda CISCO, ver figura 11.

Switch(config)# arp access-list Usuarios Switch (config-arp-nacl)# permit ip host 192.168.50.1 mac host 000c.2970.7d2d Switch (config-arp-nacl)# permit ip host 192.168.50.140 mac host 000c.29c6.dd8d Se aplica la lista de acceso a la Vlan 1 Switch (config)# ip arp inspection filter Usuarios vlan 1 Switch# show ip arp inspection vlan 1 Source Mac Validation: Disabled Destination Mac Validation: Disabled IP Address Validation: Disabled

Figura 11: Red LAN Jerárquica Fuente: Elaboración propia

Este diseño utiliza switch-router en la capa de core, switch de capa 3 en la capa de distribución y switch capa 2 en la capa de acceso. Como se puede ver la capa de acceso es la que interacciona con el usuario y la capa de distribución es la que permite interactuar con las diferentes áreas y por último la

38

capa de core permite el acceso a la red WAN.

Vlan Configuration Operation ACL Match Static ACL ---- ------------- --------- --------- ---------1

Active

Usuario

No

Vlan ACL Logging DHCP Logging ---- ----------- -----------1

Deny

Deny

Figura 12.: Estado del DAI

La primera seguridad a aplicar es en los switch de acceso,

Fuente: Elaboración propia

donde se configuraría de forma estática las direcciones MAC de los servidores.

Enabled

RESULTADOS

Por último, en la capa de distribución, que utiliza dispositivos de red LAN de capa 3 como el switch Catalyst 3560, se aplica-

Después de configurar DAI, se puede notar en la figura 11, que

ría inspección de paquetes.

el switch empieza a detectar la sobrecarga de paquetes ARP y bloquea el respectivo tráfico de paquetes a la vez que puede

Cisco a partir de la versión del IOS Software Release 12.2(25)

notificar al administrador de la red a través de SNMP.

SEB, implementa Dynamic ARP inspection (DAI), esta característica ayuda a prevenir ataques maliciosos de tipo ARP Spo-

Figura 13.: El switch detecta un sobre flujo ARP

ofing.

Fuente: Elaboración propia

Lo primero que debe de realizar es habilitar DAI en la VLAN

Con esto cualquier tipo de ataques ARP Spoofing queda blo-

respectiva y crear la lista de acceso con IP y su MAC respecti-

queado. DAI también permite mostrar estadísticas del tráfico

va, la figura 6 muestra la comprobación de esta tarea.

cursado.

Habilitar DAI en la Vlan1 Switch(config)# ip arp inspection vlan 1 Se crea la lista de acceso donde se relaciona la IP con su respectiva dirección MAC

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Figura 14.: Estadística del flujo de paquetes ARP Fuente: Elaboración propia

SURCO, Mario. Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales

CONCLUSIONES

Traffic and Switch Access (pp 299 - 327). United States of America: Cisco Press

• La seguridad en la red depende mucho del apoyo de la alta gerencia, para la inversión en equipos de comunica-

[6]2 Kevin Wallace (2008), CCNA Security Official Exam Certifi-

ción así como en el establecimiento de normativas inter-

cation Guide. En: Securing Layer 2 Devices (pp 207 - 249).

nas del uso de los servicios y equipos informáticos.

United States of America: Cisco Press

• La implementación de un diseño jerárquico en la red

ACERCA DEL AUTOR

interna permite tener varias barreras de seguridad ante ataques desarrollados en la red LAN

Profesional en Redes y Comunicaciones de Datos Tecsup Arequipa, con Estudios de Maestría en “Tecnologías de la Informa-

• El ataque de tipo “Man-in-the-middle” es una de las ta-

ción Aplicadas a la Empresa” en la Universidad Politécnica de

reas más importantes para el hacker que gano acceso a

Madrid (CEPADE). Se desempeño por 9 años como consultor

la red Interna, es importante estar preparados para pre-

en el desarrollo de sistemas para el área de Proyectos de Tecsup,

venir este tipo de ataque.

elaborando proyectos para importantes empresas mineras.

• Los Switch de Cisco de capa 3 implementan varias técnicas para mitigar ataques de tipo ARP.

Actualmente es docente del área de redes y comunicación de datos estando a cargo de los cursos de redes inalámbricas, configuración de PBX hibridas, configuración avanzada de switches

• Con una buena base tecnológica de equipos de comuni-

y routers. Posee certificación Microsoft MCTS (NetFramework,

cación, se soportara de forma más eficiente y segura los

WebApplication), Elastix Certified Engineer (VoIP), Certified

servicios que corran en la red.

Ethical Hacking y Fluke Airmagnet.

REFERENCIAS

Original recibido: 15 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 03 de mayo de 2012

[1]

Lockhard, Andrew. (2006). Network Security Hacks. En: Hack 62. Detect ARP Spoofing (pp. 130-147). United States of America: O’Reily Media.

[2]

Comisión de Reglamentos Técnicos y Comerciales, (2007). Norma Técnica Peruana, NTP-ISO/IEC 17799, (EQV. ISO/IEC 17799:2005 Information technology.

Code of practice for information security management). Lima: INDECOPI

[3]

Diane Tare y Catherine Paquet (2007), Building Scalable Cisco Internetworks (BSCI) 3ra edition. United States of America: Cisco Press.

[4]

Cisco (2006), Catalyst 3560 Switch Software Configuration Guide. Configuring Dynamic ARP Inspection. Recuperado el 15 de Febrero del 2011 de: http://www.cisco. com/en/US/docs/ switches/lan/catalyst3560/software/release/12.2_20_ se/configuration/guide/swdynarp.html

[5]

Dave Hucaby y Steve McQuerry (2002), Cisco Field Manual: Catalyst Switch Configuration. En: Controlling

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

39

Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken Influence of the Heat Input to Evaluate the Craking in the Welded Joint of API X80 Steel using the Tekken Test Rodrigo Perea, Roseana da Exaltação Trevisan Universidad Estadual de Campinas Sao Paulo - Brasil

RESUMEN

The Flux Cored Arc Welding (FCAW) process and the cored wire E71T-1 were used for the accomplishment in the welds of API

En el desenvolvimiento de este trabajo se utilizó el ensayo

X80 steel. The input variables studied were: preheat tempera-

de auto-restricción TEKKEN para evaluar la influencia del in-

ture, the cored wire type, the groove kind of the test and the

sumo de calor sobre el grado de restricción de este ensayo

heat input influence. The variation of the heat input was the

y así poder estudiar el fenómeno de agrietamiento en frio

purpose increase the cooling rate and the self- restraint of the

producido en uniones soldadas de aceros de clase API X80.

test and consequently induced to the cold cracking in the wel-

Para la ejecución de las soldaduras fue utilizado el proceso

ded joints. In this work can be concluded that, in the spite of,

con alambre tubular FCAW, utilizando como material base el

high content of residual hydrogen founded, and the high coo-

acero API X80 y como material de aporte el electrodo E 71T-1.

ling rate, during the welding and the presence of susceptibility

Las variables de influencia estudiadas fueron: la temperatu-

microstructure was not observed the formation of cracks in the

ra de precalentamiento, el tipo de bisel utilizado y el aporte

test pieces. These results were attributed to the inadequate TE-

de calor. La variación del aporte de calor tuvo como propó-

KKEN test over the susceptibility cracking API X80 steel studied.

sito aumentar la tasa de enfriamiento y, consecuentemente

Palabras clave

aumentar la restricción del ensayo para poder así inducir el agrietamiento en frio de las soldaduras. En este trabajo se concluyó que a pesar del alto contenido de hidrogeno residual encontrado en las juntas, de la elevada tasa de enfriamiento y de la presencia de una microestructura susceptible

Aceros API X80, proceso FCAW, agrietamiento por hidrogeno, ensayo TEKKEN, Insumo de calor en soldadura

Key Words

al agrietamiento, no fue observada la formación de fisuras en las probetas de soladura. Estos resultados fueron atribuidos

API X80 steel, FCAW process, hydrogen cracking, TEKKEN test,

a la inadecuación del ensayo TEKKEN sobre el estudio de la

welding, heat input.

susceptibilidad al agrietamiento en frio del acero API X80.

INTRODUCCIÓN

ABSTRACT La soldadura de tuberías para el transporte de petróleo, gas y In the development of this work was used the self-restraint

productos derivados nos han llevado a un constante desenvol-

TEKKEN test with the purpose to evaluate the heat input in-

vimiento de nuevos aceros con el propósito de atender los re-

fluence under grade of restriction to the test and could be

querimientos de fabricación de estructuras con alta resistencia

study the cold cracking to produce by joints of API X80 steel.

y bajo peso. Por este motivo, nuevos aceros con mayores valores de tenacidad y resistencia han sido desarrollados. En estos últimos años los aceros de clase API X120, X80, X70, entre otros

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

41

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

fueron recientemente desarrollados por la industria para su

una microestructura susceptible y altos niveles de tensión. To-

aplicación en tuberías, gaseoductos, oleoductos y construc-

dos estos factores son influenciados por la variación de la tasa

ciones navales, sometidos a alta presión, donde la economía

de enfriamiento que a la vez puede ser modificada alterando el

en peso es muy importante para este tipo de proyectos. Por

aporte de calor o la temperatura de precalentamiento.

tanto este constante desenvolvimiento de aceros con propiedades mecánicas mejoradas y la necesidad por una mayor

Existen varios ensayos dedicados a la evaluación del agrieta-

producción han llevado también a diversos productores e in-

miento inducido por hidrogeno, tanto en el metal de soldadura

vestigadores a buscar nuevas alternativas para la soldadura

(MS) como en la zona afectada por el calor (ZAC). Dentro de es-

de estos aceros. Actualmente la soldadura de tuberías es bas-

tos ensayos existentes, podemos mencionar el ensayo TEKKEN

tante aplicada en proyectos de gran envergadura, en donde

como uno de los más conocidos y utilizados. Este ensayo de

los procesos más conocidos y utilizados hasta ahora son los

auto restricción es utilizado para evaluar la susceptibilidad al

procesos de arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW)

agrietamiento inducido por hidrogeno.

o la combinación de este con otros procesos, sin embargo este proceso SMAW está siendo sustituido últimamente por

Con el desenvolvimiento de nuevos aceros, como el caso de los

el proceso de soldadura con alambre tubular (FCAW), debido

aceros API y de nuevos electrodos, la restricción impuesta por

a sus principales características presentes como elevada fle-

los ensayos auto restrictivos más antiguos como en caso del

xibilidad, alta calidad del metal depositado, y principalmente

TEKKEN pasó a ser cuestionado.

su mayor tasa de deposición comparado con otros procesos semiautomáticos, los cuales han contribuido para la utiliza-

No obstante existe también otros ensayos de restricción utiliza-

ción de este último proceso.

dos para evaluar la susceptibilidad del agrietamiento inducido por hidrogeno denominado G-BOP (Gapped Bead on Plate).

Recientemente el proceso FCAW comenzó hacer aplicado en

Investigaciones anteriores desarrolladas por el grupo de solda-

la soldadura de aceros de clase API. El uso de estos alambres

dura de la Facultad de Ingeniería Mecánica de

tubulares, en particular los auto protegidos se ha mostrado

42

bastante ventajosos para la soldadura de tuberías en campo.

la UNICAMP, mostraron que este ensayo a pesar de ser desen-

Mismo así, una de las dificultades encontradas en este tipo

vuelto en 1974 (GRANVILLE e MCPARLAN) y optimizado por Sil-

de proyectos que utilizan aceros API y el proceso FCAW, es

va (2005), mostro ser eficiente para evaluar la susceptibilidad al

el escaso conocimiento sobre las propiedades que se presen-

agrietamiento de los aceros

API X 80.

tan en la soldadura, tales como propiedades de las uniones soldadas del material base, zona afectada por el calor y metal

El principal objetivo de este trabajo fue comparar la influencia

de soldadura.

del aporte de calor a través del ensayo TEKKEN y así poder evaluar la susceptibilidad al agrietamiento en frio producido por

El agrietamiento inducido por hidrogeno es considerado uno

hidrogeno de los aceros de la clase API X 80. Por tanto fue utili-

de los mayores defectos encontrados en la junta de solda-

zado el proceso con alambre tubular FCAW usado en la condi-

dura de aceros de alto límite de resistencia. Los principales

ción undermatched. Las variables de influencia definida fueron:

factores que contribuyen para la formación de este tipo de

el aporte de calor de calor impuesto a la junta soldada y el tipo

fisuras son: la presencia de hidrogeno en la junta soldada,

de bisel utilizado en el ensayo Y-Groove test.

Composición Química (% en peso) C

Si

Mn

P

S

Al

Cu

Nb

V

0,04

0,17

1,75

0,019

0,004

0,032

0,01

0,073

0,005

Ti

Cr

Ni

Mo

N

B

Ca

Sb

Ceq (Pcm)

0,013

0,21

0,02

0,16

0,0035

0,0002

0,0014

0,01

0,16

Propiedades Mecánicas Límite de Fluencia – LE

Límite de Resistencia – LR

Alargamiento - E

Dureza

(MPa)

(MPa)

(%)

(HB)

561

674

27

206

Tabla 1. Composición química y Propiedades Mecánicas del Acero API X80

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

La presencia o no de las fisuras fue considerada como una

térmico, compuesto por una placa A/D y el Sofware Aqdados

variable de respuesta. Así como también formo parte de los

7.0 Lynx Technology.

objetivos una comparación de estos resultados con trabajos

Metodología del Ensayo TEKKEN

anteriores realizados por el grupo de soldadura de la FEM/ UNICAMP, donde fue evaluada la susceptibilidad al agrietamiento en frio de los aceros API X80 usando el ensayo

Para el análisis de la influencia del insumo de calor se utilizó

GBOP-P.

el ensayo de auto restricción TEKKEN, bajo las especificaciones de la norma JIZ 3258. En este ensayo se verifica la ocurrencia

MATERIALES Y MÉTODOS

de fisuras producidas por hidrogeno tanto en la zona fundida (utilizando un bisel en “Y” recto) como en la zona afectada por

Para el desenvolvimiento de este trabajo se utilizó aceros

el calor (utilizando un bisel en “Y” oblicuo) (JIS 3158, ALCANTA-

para gaseoductos API X80 como material base. En la tabla 1

RA, 1982).

se muestra la composición química, propiedades y porcentaLa fabricación de las probetas se realizó a través de un proceso

je de carbono equivalente encontrados para este acero.

de mecanizado convencional, con dimensiones de 200mm mm Para el desarrollo y análisis del agrietamiento en frio tanto en

de largo, 75 mm de ancho, 14 mm de espesor y formando un

la ZAC como en el metal de soldadura, fue utilizado el alam-

ángulo de 60°. En la figura 1 se pueden observar todas las di-

bre tubular E 71T-1. Este electrodo fue seleccionado según la

mensiones de las probetas TEKKEN y también los dos tipos de

condición conocida como undermatched, donde la principal

biseles utilizados en la realización de los experimentos.

característica de esta técnica es que presenta un menor límite de resistencia que del metal base. Esta condición under-

Para la preparación de las probetas de soldadura y su respec-

matched según varios autores es utilizada para la soldadura

tiva auto restricción, se utilizó un dispositivo de fijación con

de aceros HSLA con el propósito de minimizar la aparición

el objetivo de garantizar un correcto alineamiento y poder así

de fisuras producidas por hidrogeno, reduciendo o hasta

evitar algunas distorsiones o deformaciones que puedan ocu-

evitando así el uso de la temperatura de precalentamiento,

rrir. Las soldaduras de restricción fueron depositadas en ambos

Loureiro (2002). En la tabla 2 se presenta las principales ca-

lados de la probeta. La Figura 2 muestra un esquema del dispo-

racterísticas mecánicas y composición química para el alam-

sitivo de fijación y las soldaduras de restricción de las probetas

bre tubular E71T-1.

soldadas.

Los cordones de soldadura realizados para evaluar la influen-

Después de la soldadura de restricción conforme se mostró

cia del insumo de calor a través del ensayo TEKKEN fueron

en la Figura 2, se inició la soldadura del cordón del ensayo TE-

realizados en el laboratorio de Soldadura del departamento

KKEN. El proceso utilizado en estos ensayos, fue el proceso de

de Ingeniera de fabricación de la UNICAMP. Los principales

arco eléctrico con alambre tubular (FCAW).

equipos utilizados fueron: Una fuente de energía multiproceso TEM Digitec 600, un sistema electromecánico BUG-O

La ejecución de este ensayo consistió en depositar en la mitad

SYSTEM modelo

de la probeta un cordón de soldadura de aproximadamente 80mm de longitud, estos cordones fueron realizados para dos

5302, utilizado para el control de la velocidad de soldadura y

diferentes insumos de calor utilizados en esta experiencia. Los

la distancia de contacto STICK OUT. También fue utilizada un

parámetros de soldadura serán mostrados en la parte de resul-

sistema de adquisición de datos para el monitoreo del ciclo

tados y discusiones.

Propriedades Mecânicas

Alambre

Límite de Fluencia- LE

Limite de Resistencia-LR

Alargamiento-oε

Dureza

(MPa)

(MPa)

(%)

(HB)

558

607

27

185

E71T-1

Composicion Química (% em peso)

Arame

C

Si

Mn

P

S

Ni

Al

Cr

E71T-1

0,04

0,59

1,41

0,012

0,006

-

-

-

Tabla 2. Propiedades Mecánicas y Composición Química E 71T-1, Lincoln Electric.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

43

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

RESULTADOS Resultados del TIH en la junta soldada (2,0kJ/mm) En esta parte de la investigación serán presentadas las principales variables de influencia que dieron sustentación a la obtención de estos resultados. También será discutida la influencia de estas variables adoptadas para las dos energías de soldadura definidas en este trabajo.

En la primera parte de los resultados, fueron optimizados los parámetros de soladura más adecuados para la correcta aplicación de la soldadura empleada en el ensayo TEKKEN. Basados en la diferencia de diámetros y características peculiares de cada uno de los electrodos y con el propósito de facilitar una posterior comparación de las condiciones del experimento, se utilizó como parámetros de control para la soldadura de los aceros API X80, la misma energía de soldadura y la misma constante de deposición. La energía de soldadura (Es) fue defiFigura 1. Dimensiones de las probetas TEKKEN, (a) Bisel “Y” recto y

nida en 2,0kJ/mm para esta primera parte de los experimentos

oblicuo; (b) bisel para la soldadura de restricción.

y la constante de deposición en Kd = 23.33, fueron variadas las velocidades de soldadura y de alimentación en 150mm/min e

Para el análisis y evaluación de las soldaduras se esperó un

3,5m/min.

promedio de 48 horas para la aparición de estas fisuras de hi-

44

drogeno, después de este tiempo se inspecciono y verifico la

En la tabla 3 se presentan los parámetros de soldadura defi-

presencia de alguna fisura tanto superficiales como transver-

nidos para los tipos de alambre tubular, en estos parámetros

sales. Todas las mediciones realizadas fueron cuantificadas

fueron variados: la corriente de soldadura, la tensión de arco y

de acuerdo a las ecuaciones de la norma JIS Z 3158.

la distancia Stick Out. Estos parámetros fueron utilizados para la ejecución de los cuerpos de prueba tanto a temperatura ambiente como precalentados a 100°C. En los resultados obtenidos para un insumo de calor de 2,0kJ/ mm, fueron adoptadas como variables de influencia: la temperatura de precalentamiento, el tipo de bisel y, los dos tipos de alambre tubular; teniendo como variable de respuesta la presencia y el porcentaje de fisuras en frio.

Después de la realización de los ensayos y análisis de las muestras para todas las condiciones de soldadura, se observó que en los resultados obtenidos no fueron encontradas fisuras por hidrogeno tanto en la ZAC como en el metal de soldadura (MS).

Estos resultados fueron los mismos para todas las condiciones de soldadura utilizada, independientemente del tipo de electrodo utilizado, tipo de bisel y temperatura inicial de las pro-

Figura 2. Dispositivo de Fijación para la preparación y alineamiento de

betas. Estos resultados fueron considerados inesperados consi-

las soldaduras de restricción.

derando que el ensayo TEKKEN es un ensayo de alta restricción para evaluar el fenómeno de agrietamiento por hidrogeno en frio.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

Alambre

I (A)

U (V)

Va (m/min)

Vs (mm/min)

DBCP (mm)

Es (kJ/mm)

E 71T-1

200

25

3,5

150

19

2,0

E 71T8-K6

220

22

3,5

150

25

2,0

Tabla 3. Parámetros de Soldadura para diferentes alambres tubulares.

En otros estudios presentados por Silva e Trevisan (2005)

calor, influencian directamente en la tasa de enfriamiento de

para evaluar la susceptibilidad de los aceros API X80 a través

la junta de soldadura, reduciendo la formación de las microes-

del ensayo G-BOP, se demostró la presencia de fisuras indu-

tructuras susceptibles, aumentando el tiempo de difusión del

cidas por hidrogeno a temperatura ambiente. Estos autores

hidrogeno y disminuyendo las tensiones residuales causadas

utilizaron el mismo material base, los mismos tipos de consu-

por la soldadura. (Svensson e Linert, 1994, e Adonyi, 2000).

mibles y condiciones similares de soldadura a las utilizadas en esta investigación. El porcentaje de fisuras encontradas

En el análisis del precalentamiento, fueron utilizadas dos tem-

por Silva y Trevisan (2005) fue de 65% en el metal de solda-

peraturas, la temperatura ambiente de 25°C, y la segunda de

dura. Por tanto debido a la ausencia de fisuras en nuestros

100 °C. Para evaluar el comportamiento de la tasa de enfria-

experimentos, en todas las condiciones ensayadas y, de

miento en función de la temperatura de precalentamiento en

acuerdo a la presencia de fisuras encontradas en estudios si-

el ensayo TEKKEN, se realizó la adquisición de los ciclos térmi-

milares conforme demostrado por Silva y Trevisan (2005), se

cos durante el proceso de soldadura. En la figura 3 son presen-

decidió evaluar el efecto de cada una de las variables y de los

tados los ciclos térmicos de los cordones de soldadura reali-

factores directamente relacionados al fenómeno de agrieta-

zados a temperatura ambiente y con un precalentamiento de

miento en frio sobre la variable de respuesta.

100°C, para una energía de soldadura de 2,0 kJ/mm.

El uso de la técnica conocida como undermatched podría

Se observó que el codón de soldadura realizado a temperatura

estar influenciando en la ausencia de fisuras en los experi-

ambiente sufrió un enfriamiento más severo que el cordón de

mentos realizados. De acuerdo a Loureiro (2002) el uso de

soldadura realizado a 100°C. Para estos experimentos fue rea-

esta técnica undermatched es aplicado para soldaduras de

lizado un análisis del ciclo térmico para temperaturas de 800

aceros HSLA con el propósito de minimizar la tendencia de

y 500°C (ΔT8-5/Δt) y 100°C (ΔT3-1/Δt), estos resultados tuvieron

aparición de fisuras inducidas por hidrogeno. En estudios

como propósito verificar la influencia de tasa de enfriamiento

realizados por Cooper et. al. (2004), utilizando los mismos

de estas temperaturas sobre el agrietamiento inducido por hi-

electrodos en la condición undermatched que fueron eva-

drogeno. Para temperaturas de (ΔT8-5/Δt), fue de 83°C/s para el

luados en este trabajo, no demostraron tener la influencia de

cordón de soldadura ejecutado a temperatura ambiente y de

formación y propagación de fisuras por hidrogeno.

27 °C/s, cuando fue precalentado. En estos resultados se observó también que el cordón realizado a temperatura ambiente

Estos autores comprobaron que mismo utilizando la técnica

sufrió un enfriamiento de 67% mayor que el cordón realizado

undermatched, encontraron fisuras en el metal de soldadura,

a 100°C.

independientemente del electrodo utilizado, basados en estos experimentos se pudo afirmar que mismo utilizando esta

Los resultados encontrados demostraron la influencia de la

técnica undermatched, se produjeron fisuras en soldaduras

temperatura de precalentamiento sobre la tasa de enfriamien-

de aceros HSLA.

to impuesta en el cordón de soldadura. La utilización de esta temperatura disminuyo las posibilidades de formación de fisu-

Por tanto la ausencia de fisuras en nuestro experimento no

ras producidas por hidrogeno.

puede ser atribuido al uso de esta técnica.

Para temperaturas de 300 °C y 100 °C (ΔT3-1/Δt), las tasas de enOtra de las variables de influencia estudiada fue la tempe-

friamiento encontradas para los cordones de soldadura ejecu-

ratura de precalentamiento, que es uno de los principales

tados a temperatura ambiente fue de 4,8 °C/s y 1,2 °C/s, cuando

métodos empleados para evitar la propagación de las fisuras

fueron precalentados. Estos resultados comprobaron una vez

inducidas por hidrogeno en las juntas soldadas. El precalen-

más la fuerte influencia de la temperatura de precalentamiento

tamiento del material de la misma forma que el insumo de

del material sobre la tasa de enfriamiento de los cordones de soldadura.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

45

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

Metal base

H (ppm)

Acero API X80

1,18

Cordón de soldadura E 71T-1 / T. ambiente

3,25

E 71T-1/ 100° C

2,56

E71T8-K6 / T. ambiente

2,47

E71T8-K6/ 100°C

2,21

Tabla 4. Resultado de Hidrogeno residual en los cordones de soldadura y en el acero API X 80

Analizando la tabla 4, el contenido de hidrogeno residual para el alambre E 71T-1 fue mayor en relación al alambre E 71T8-K6, Figura 3. Ciclos térmicos del Acero API X80 soldado con alambre E

independientemente de la temperatura de precalentamiento.

71T-1 y aporte de calor de 2,0kJ/mm.

Puede ser observado también que las muestras que fueron realizadas con la temperatura de precalentamiento, siempre

La influencia de la temperatura de precalentamiento sobre la

presentaron un contenido menor de hidrogeno que las mues-

tasa de enfriamiento también fue estudiada por Silva (2005)

tras soldadas a temperatura ambiente. El uso de la temperatura

en la evaluación de la susceptibilidad al agrietamiento, a tra-

de precalentamiento comprobó que la influencia directa sobre

vés del ensayo G-BOP, utilizando las mimas condiciones de

la disminución de la tasa de enfriamiento es consecuentemen-

soldadura y misma temperatura de precalentamiento. Los

te en el aumento del tiempo disponible para que el hidrogeno

valores de la tasa de enfriamiento encontrados por este au-

se difunda en la junta soldada.

tor fueron: entre la temperaturas de 800 e 500 °C de 21°C/s

46

para la temperatura de precalentamiento y de 70°C/s a tem-

Los contenidos de Hidrogeno encontrados en nuestras mues-

peratura ambiente. En comparación con los resultados de

tras fueron considerados elevados comparados con los obteni-

esta investigación, se verifico que la tasa de enfriamiento,

dos por Silva (2005). Este autor, en sus experimentos a tempe-

cuando precalentada fue de 22% mayor y a temperatura am-

ratura ambiente con el alambre tubular E 71T-1, observo una

biente fue de 15%, mayor que los resultados obtenidos por

ocurrencia de 61,5% de fisuras con una cantidad de hidrogeno

Silva (2005).

residual de 1,99 ppm y, para el cordón de soldadura con alam-

En el análisis de los cordones ejecutados a temperatura ambiente y la tasa de enfriamiento se mostró elevada en comparación a las encontradas en la literatura; mismo teniendo una elevada tasa de enfriamiento no fueron encontradas fisuras por hidrogeno en la junta de soldadura. Considerando la ausencia de fisuras para todas las condiciones de soldadura ensayadas en esta etapa y de acuerdo al análisis del precalentamiento observado en este ítem y en la literatura, el hecho de no producirse fisuras en las probetas cuando fueron precalentadas a 100°C paso a ser esperado.

Aun en el intento de entender la presencia de fisuras en nuestros experimentos y considerándose que el contenido de hidrogeno residual es una de los principales factores que influencia en la aparición de fisuras en frio, se decidió medir la cantidad de Hidrogeno residual presente en el metal de soldadura y en el metal base, con el objetivo de verificar si el H residual presente en la soldadura era suficiente para que ocurriera la aparición de fisuras. La tabla 4 presenta los resultados de hidrogeno residual encontrados en los cordones de soladura ensayados.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

bre E 71T8-K6, también a temperatura ambiente, se presentó 2,14 ppm de hidrogeno y 70,8% de fisuras en el metal de soldadura. En este caso el autor uso el ensayo G-BOP, que también es un ensayo de auto restricción.

De acuerdo con los resultados de H presentados por Silva (2005), se comprobó que la cantidad de hidrogeno residual encontrado en las muestras de la actual investigación (Tabla 4), era lo suficiente para la formación y propagación de fisuras en el cordón de soldadura. Mismo con estos resultados de H residual no hubo la presencia de fisuras en frio en la unión soldada.

Resultado del TIH con mayor grado de restricción (1.0 kJ/mm) Con el objetivo de inducir las fisuras y justificar la ausencia de estas en los experimentos, se decidió repetir el ensayo TEKKEN con mayor grado de restricción. Para aumentar el grado de restricción del ensayo se utilizó un insumo de calor menor que la utilizada anteriormente. El bajo insumo de calor propicio

PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

una variación en la velocidad de enfriamiento de la unión,

ensayos TEKKEN con los dos tipos de biseles. Los cordones de

aumentando así el grado de restricción del ensayo. Para la

soldadura depositados con el insumo de calor de 1,0 kJ/mm no

realización de la nueva serie de experimentos fue utilizado

presentaron ningún defecto. La figura 5 muestra el cordón de

un aporte de calor de 1,0 kJ/mm.

soldadura depositado y su morfología con un aporte de calor de 1,0 kJ/mm.

El aumento de la velocidad de soldadura se incrementó de 150 mm/min para 330 mm/min, el insumo de calor se dismi-

Después de la ejecución de los ensayos y análisis de las mues-

nuyó de 2 kJ/mm para 1 kJ/mm. Las demás condiciones de

tras para todas las uniones soldadas con una energía de 1 kJ/

soldadura fueron mantenidas constantes, conforme son pre-

mm, se observó que, en los resultados obtenidos se encontró

sentadas en la tabla 3. En el gráfico de la figura 4 son presen-

solamente la presencia de fisuras transversales en el metal de

tados los ciclos térmicos impuestos en los cordones para las

soldadura, esto es, la presencia de fisuras sólo fue constatada

dos energías de soldadura utilizadas. En este mismo gráfico

cuando fue usado el bisel en “Y” recto. Para la zona afectada

se puede observar la variación del enfriamiento debido a la

por el calor no fueron encontradas fisuras. En la Fig. 6 puede

variación de la energía de soldadura.

observarse una fisura representativa encontrada en el MS para el electrodo E 71T-1 y una energía de soldadura de 1,0 kJ/mm.

47

Figura 4. Influencia del insumo de calor sobre la tasa de enfriamiento para dos energías de soldadura.

Figura 5. Cordón de soldadura con

Es = 1,0kJ/mm y su morfología.

En la figura 4 se puede observar la variación de la tasa de enfriamiento en relación a la disminución del aporte de calor.

Se puede observar en la figura 6, que la fisura presente en el

Para Es igual a 2.0 kJ/mm se observa un mayor tiempo de

metal de soldadura fue localizada en el inicio de la raíz de la

resfriamiento (flecha roja) en comparación con Es de 1 kJ/

junta soldada y se propaga para el MS. Todas las fisuras encon-

mm (flecha azul). El análisis de la tasa de enfriamiento entre

tradas en los ensayos presentaron el mismo comportamiento.

las temperaturas de 300°C y 100°C (ΔT300-100/Δt) para un in-

La razón por la cual las fisuras surgieron en el inicio de la raíz

sumo de calor de 1,0kJ/mm fue de 4.7°C/s y de 2,8 °C/s y para

de la unión se debe, probablemente, al mayor nivel de concen-

una Es de 2,0 kJ/mm represento un aumento de la tasa de en-

traciones de tensiones generado en esta región, facilitando así

friamiento de 40%. La mayor tasa de enfriamiento obtenida

la formación y propagación de fisuras. Las fisuras encontradas

con una energía de soldadura de 1,0kJ/mm influencio en las

en los cordones de soldadura fueron cuantificadas de acuerdo

condiciones restrictivas del ensayo.

con la metodología del ensayo TEKKEN. Para todos los ensayos ejecutados con baja energía de soldadura se encontró un por-

Para los ensayos realizados en esta etapa de los experimen-

centual medio de 6% de fisuras para el metal de soldadura.

tos, con un menor aporte de calor, se utilizó el electrodo que presento mayor contenido de hidrogeno residual en el

Considerando el aumento de restricción de la unión soldada,

cordón de soldadura (E 71T-1). Los ensayos fueron ejecuta-

como consecuencia de la disminución de la energía de solda-

dos con el objetivo de evaluar el agrietamiento en la unión

dura, adoptada en esta etapa de los experimentos y de acuerdo

soldada, esto es, tanto en el cordón de soldadura como en

con el elevado contenido de hidrogeno residual encontrado en

la zona afectada por el calor, para tanto fueron ejecutados

el cordón de soldadura para el electrodo E 71T-1, una mayor

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PEREA, Rodrigo. “Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken”

MS

ZAC

Figura 6. Fisura encontrada en la raíz de soldadura para un ES 1,0kJ/mm.

presencia de fisuras eran esperadas. Sin embargo, en los re-

CONCLUSIONES

sultados obtenidos para estos experimentos, se encontró un

48

bajo porcentaje de fisuras en el metal de soldadura. No en

De acuerdo con la metodología adopta, los resultados presen-

tanto, Silva (2005), en la evaluación del agrietamiento por

tados y analizados para la evaluación del agrietamiento induci-

hidrogeno, a través del ensayo G-BOP, utilizando el mismo

do por hidrogeno a través del ensayo TEKKEN se pudo concluir

metal base, los mismos electrodos y condiciones de soldadu-

que:

ra similares a las utilizadas en este trabajo, encontró un porcentaje medio de fisuras de 61.5% para el electrodo E71T-1 y

La utilización del ensayo TEKKEN se mostró inadecuada para

de 70.8% para el electrodo E 71T8-K6. Este autor encontró un

evaluar la susceptibilidad al agrietamiento inducido por hidro-

alto porcentaje de fisuras para un menor contenido de hidro-

geno en las soldadura de aceros de la clase API X80. El nivel de

geno residual.

restricción del ensayo no fue el suficiente para causar fisuras en la unión soldada.

El contenido de hidrogeno residual encontrado en todas las

De acuerdo a los resultados encontrados en este trabajo en la

muestras, soldadas con diferentes alambres tubulares a tem-

evaluación de la susceptibilidad al agrietamiento a través del

peratura ambiente era suficiente para la formación de fisuras

ensayo TEKKEN para las dos energía de soldadura utilizadas

en frio.

(2,0 kJ/mm y 1,0kJ/mm), no fue detectada la presencia de fisuras en la unión soldada. Estos resultados fueron considerados

Manteniendo constante la energía de soldadura (Es) y la cons-

inesperados pues, en el estudio de los factores relacionados

tante de deposición (Kd), fue posible comparar los cordones de

con la formación de fisuras se encontró un elevado conte-

soldadura realizados con diferentes alambres tubulares.

nido de hidrogeno residual y una alta tasa de enfriamiento de los cordones de soldadura. Por lo tanto, de acuerdo a los

Los cordones de soldadura ejecutados con alambre tubular E

resultados obtenidos en este trabajo y, en comparación con

71T-1 presentaron un mayor contenido de hidrogeno residual.

los estudios realizados por Silva (2005), a través del ensayo

Teóricamente el electrodo E 71T-1 es el más susceptible al

G-BOP para los mismos materiales, la utilización del ensayo

agrietamiento que el electrodo auto-protegido E 71T8-K6.

TEKKEN se mostró deficiente para la evaluación de la susceptibilidad al agrietamiento del acero API X80, cuando soldados

La disminución del aporte de calor de 2,0 kJ/mm para 1,0 kJ/

con electrodos en la condición undermatched.

mm aumento la tasa de enfriamiento y consecuentemente el

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nivel de restricción impuesto por el ensayo, provocando la

ACERCA DEL AUTOR

aparición de fisuras en el metal de soldadura.

REFERENCIAS

Rodrigo Luis Perea Corimaya Grado de Ingeniero de Materiales en la Escuela Profesional de Ingeniería de Materiales por la por la Universidad Nacional de San Agustín (UNSA), Perú, en 2003.

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Alcântara, N.G. Weld metal hydrogen cold cracking.

Estudios de Post grado con el grado de Msc. en el Departamen-

1982, 322p. Tese (Doutorado). Cranfield Institute of

to de Ingeniera de Fabricación en la Facultad de Ingeniería Me-

Technology – School of Industrial Science, Cranfield,

cánica de la Universidad Estadual de Campinas (UNICAMP), Sao

England.

Paulo Brasil en 2009. Inspector en Soldadura con certificación de la Sociedad Americana de Ensayos no Destructivos – ASNT,

[2]

Cooper R. E., Silva, J. H. F., Trevisan, R. E. Influencia del

certificado en Inspección Visual y Líquidos Penetrantes – Nivel

precalentamiento en las propiedades de juntas de ace-

II. Actualmente se desempeña como docente en el área de me-

ro API 5L-X80 soldadas con alambre tubular autopro-

cánica en Tecsup Arequipa. (rperea@tecsup-aqp.edu).

tegido. Revista de Metalurgia, v. 40, n. 4, pp. 280-287, 2004.

Original recibido: 19 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 11 de mayo de 2012

[3]

Japanese industrial standars. JIS Z 3158: Method of Ygroove weld cracking test. Tokyo, 1993. 9p.

[4]

Loureiro, Altino J. R. Effect of heat input on plastic deformation of undermatched welds. Journal of Materials processing Technology, 128, pp. 240, 249, 2002.

[5]

Silva, J. H. F. Proposta de um novo ensaio para avaliar a susceptibilidade de metais de solda ao fenômeno de trincas induzidas pelo hidrogênio em diferentes ambientes. 2005, 60p. Tese Doutorado Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas.

[6]

Silva, J. H. F. ; Trevisan, R.Study On Hydrogen Induced Cracking in API Steel Weld Using the Modified G-BOP Test. In: 18th International Congress of Mechanical Engineering, 2005, Ouro Preto. Anais 18th International Congress of Mechanical Engineering. Rio de Janeiro, 2005.

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Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido Analysis of Faults and Defects in Parts of Cast Steel Juan Carlos Heredia, Tecsup

RESUMEN

se analysis, thereby achieving optimize our resources, have a minimum of rejections, and avoiding significant repairs in our

El presente artículo tiene como objetivo ser un aporte para

batch of parts produced.

organizar, analizar, y determinar el verdadero origen de las fallas en el proceso productivo de una pieza fundida, utili-

Mentioned methodologies, and techniques that can be used

zando para ello, herramientas y metodologías de análisis de

for this development, so as to detect, and resolve deviations,

causa raíz, logrando con ello optimizar nuestros recursos, te-

discontinuities, and non-conformities in a timely manner, and

ner un mínimo de rechazos, y evitando realizar reparaciones

they do not come finally to the user, and this failure typical pre-

relevantes en nuestros lotes de piezas producidas.

maturely during operation of the component.

Se mencionan las metodologías, y técnicas que se pueden

Are also mentioned, the different stages, and many variables

utilizar para éste desarrollo, de modo que se detecten, y re-

involved for forming castings. Each becomes a potential cause

suelvan las desviaciones, discontinuidades, y no conformida-

for cause or increase the level of a fault or defect in the parts,

des, de manera oportuna, y que éstas no lleguen finalmente

when not properly controlled.

al usuario, y se presente una falla prematura típica durante el servicio del componente.

Finally, we present a case of a fault or defect analysis, detected in full production process of a track shoe, part of the motion of

Se mencionan además, las diferentes etapas, y numerosas variables que participan para el conformado de las piezas fundidas. Cada una de ellas se convierte en una potencial causa

mechanical shovels, used in large open pit mining.

Palabras clave

para originar o incrementar el nivel de una falla o defecto en las piezas, cuando no son controladas adecuadamente.

Análisis, falla, Fundición, causa raíz, componente, acciones correctivas,

Finalmente, se presenta un caso de un análisis de falla o defecto, detectado en pleno proceso productivo, de una zapata

Key Words

de oruga, parte del sistema de movimiento de las palas mecánicas, utilizadas en la gran minería de tajo abierto.

Analysis fails, Foundry, root cause, component, corrective actions.

ABSTRACT

INTRODUCCIÓN

This article is intended to be input to organize, analyze, and determine the true origin of the faults in the production pro-

En el Perú, y el mundo, la industria de la Fundición ha mejorado

cess of a casting, using tools and methodologies for root cau-

sus procesos de fabricación, y control de sus productos gra-

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

51

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

cias al conocimiento, las ciencias y la ingeniería para obtener

fundido, el cual presenta discontinuidades en una sección crí-

piezas de alta calidad. Sin embargo, es una de las especiali-

tica. El ejemplo se complementa con resultados de análisis de

dades en las que intervienen muchas variables en cada una

laboratorio metalúrgico de la empresa fabricante.

de las etapas de la producción, y si alguna de ellas se descuida en el proceso, nos pueden provocar defectos relevantes e inesperados en el componente final. Muchas veces estas no conformidades son abordadas sin analizarlas en forma detallada, asumiéndose muchas veces, acciones correctivas

Definiciones y relaciones entre falla – defecto.

Falla:

erróneas, no solucionando el verdadero origen del defecto o causa raíz.

Imperfección, irregularidad que puede ocasionar el rechazo o colapso del producto “pieza”, tanto si es total, como si es recu-

Los defectos inherentes a la práctica y tecnología de la fun-

perable. Es la incapacidad de la pieza a realizar las funciones

dición pueden ser eliminados o minimizados, de modo que

para la cual fue diseñada.

se encuentren en los niveles de aceptación propios de la empresa fabricante, como de nuestros clientes.

Defecto:

Los productos elaborados por la industria de la Fundición,

Anomalía o discontinuidad en la superficie o interior de una

son utilizados en gran medida por la industria minera, metal

pieza. Un defecto es una discontinuidad inaceptable. Si la dis-

mecánica, cementera, y otras de gran relevancia. En ella se

continuidad es aceptable, no se considera un defecto.

elaboran componentes de gran variedad de aleaciones, geometría variada y compleja, con las características mecánicas,

Para los efectos de este trabajo, consideraremos a la Falla y al

físicas, químicas requeridas.

Defecto, como sinónimos.

En nuestro País, el desarrollo de la industria de la Fundición

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE UNA PIEZA FUNDIDA

está muy adelantado, ya que muchos de sus productos compiten y superan inclusive, a muchos componentes fabricados

52

en otras compañías del rubro en diversas partes del mundo.

Para producir adecuadamente un componente de acero fundi-

Es importante recordar que el Perú exporta gran tonelaje de

do, con las características, y propiedades específicas requeridas

acero procesado en forma de piezas, teniendo un reconoci-

para un buen desempeño durante el servicio, es imprescindi-

miento mundial por la calidad competitiva de sus productos.

ble que cumpla una serie de etapas generales, y son:

FUNDAMENTO

Etapas:

El Análisis de Falla es un procedimiento minucioso y organi-

-

Proyecto

zado que nos permite determinar la probable causa raíz de la

-

Diseño de alimentación.

tados, elaborar acciones correctivas y propuestas de mejora

-

Modelo

que reduzcan la recurrencia de casos. Esta definición se ha

-

Moldeo

-

Composición química.

-

Temperatura de colada.

de un defecto o falla ocurrida durante el proceso de fabrica-

-

Vaciado de metal.

ción de un componente de acero fundido.

-

Solidificación

METODOLOGÍA

-

Desmoldeo

-

Limpieza

un análisis de falla de componentes en servicio, y una vez

-

Tratamientos térmicos

adaptado, se grafica con el caso de un componente de acero

-

Mecanizado

falla o defecto de un componente, y a partir de estos resul-

enmarcado típicamente para abordar los casos en que las fallas se presentan en los componentes durante su servicio.

En el presente trabajo se adapta esta metodología al análisis

El artículo se desarrolla sustentado en la metodología para

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

necesitan una atención y control especifico para evitar que influyan en la generación o propagación de un defecto, ya sea que intervengan individualmente o en forma combinada con alguna otra, incrementando el nivel de la falla.

Es importante tener un registro detallado del control que se realiza en cada etapa mencionada. Ello nos permitirá también documentar y sustentar las investigaciones posteriores que se lleven a cabo ante el análisis de falla o defectos posteriores.

TIPOS DE FALLA Y DEFECTOS EN PIEZAS FUNDIDAS Los defectos se clasifican en internos y superficiales, separan-

Fig. 1

do los inherentes a las piezas durante la solidificación del ace-

VARIABLES QUE INTERVIENEN EN CADA PROCESO DE LA PRODUCCIÓN

ro líquido, de los inherentes a la transformación (conjunto de operaciones posteriores a la solidificación, tales como el enfriamiento, calentamiento, tratamiento térmico y mecanizado), los

En cada una de las etapas u operaciones que constituyen el

cuales son más controlables, y pueden evitarse casi en su totali-

proceso de producción para la fabricación de un elemento

dad. Sin embargo, los relacionados a las piezas antes y durante

fundido, participan alrededor de cien variables, las cuales

la solidificación, son más difíciles de evitar.

53

Cuadro 1. Variables que intervienen en cada proceso de la producción

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

Cuadro 2. Defectos potenciales que se relacionan en cada etapa del proceso de la producción

54

Cuadro 3

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

EVALUACIÓN DE UN DEFECTO

-

Ser sujetados y levantados con cables o cuerdas de materiales naturales o sintéticos.

Para caracterizar un defecto y calificarlo, es necesario utilizar ensayos No Destructivos, Ensayos Destructivos, Normas

-

Ser cubiertos con protectores plásticos.

de referencia, Manuales de defectos, Niveles de aceptación - calidad del fabricante, especificaciones y requerimientos

Estas consideraciones se deben tener en cuenta en los casos

del cliente. Asimismo es muy importante la experiencia pro-

que la muestra a analizar se ha separado del componente falla-

fesional del personal. Las fallas o defectos pueden producirse

do, de mayor peso y longitud, que hace muy difícil su traslado

en cualquier momento de la “vida” de una pieza metálica. Si

en forma completa. Siempre es importante que el análisis inclu-

este se genera durante la producción inicial, denominaremos

ya la zona del incidente, de ser posible. Estas premisas también

defecto inherente. Si se produce durante procesos posterio-

se deben recordar para casos de fallas en piezas que se presen-

res, denominaremos discontinuidad de proceso, y también

tan en cualquier rubro de la industria.

se puede producir durante su uso, denominaremos fallas por servicio.

ENSAYOS Y NORMAS DE REFERENCIA

Pueden clasificarse:

Se indican los principales ensayos que se realizan para detectar y caracterizar los defectos en una pieza fundida.

-

Defecto critico.

-

Defecto relevante.

-

Defecto menor.

-

Inspección Visual............... ASTM A 802 SCRATA

-

Líquidos Penetrantes...........ASTM E 165

-

Partículas Magnéticas..........ASTM E 709

-

Ultrasonido..........................ASTM A 609

-

Radiografía Industrial..........ASTM E 186 / E 446.

-

Dureza................................ASTM E 140 / A 370 / A 956

con un glosario.

-

Metalografía........................ASTM E 112

CONSERVACIÓN DE LAS MUESTRAS CON FALLAS O DEFECTOS

Además de ellos también se utilizan para casos especiales:

Se han realizado muchos esfuerzos para conseguir la universalización de los glosarios y términos de fundición en casi todas las naciones de habla española. Podemos decir que a la fecha aun no se ha logrado el objetivo, y en cada país se ofrecen denominaciones diferentes para los mismos conceptos. Inclusive se encuentran diferentes expresiones en sus diversas regiones. El Colegio de ingenieros del Perú, cuenta

Al presentarse una falla o defecto, se recomienda tener las siguientes consideraciones con las muestras, con la finalidad de no alterar sus características físicas, químicas, mecánicas, y metalúrgicas : -

Las muestras no se les debe aplicar soldadura para facilitar el izaje.

-

No se deben exponer a soluciones corrosivas, pinturas ni grasas.

-

No deben de recibir impactos ni rozamientos durante su manipulación.

-

No exponer en ambientes de temperatura extrema o variable.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

-

Análisis Macrográficos.

-

Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).

-

Corrientes Inducidas.

-

Ensayo fractográfico.

-

Ensayos mecánicos (Tracción, Fatiga, Impacto).

-

Ensayo Químico (Corrosión).

METODOLOGÍA PARA DETERMINAR LA CAUSA RAÍZ DE UNA FALLA – DEFECTO

55

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

El origen o la causa raíz del defecto de una pieza, es la causa primaria sobre la cual se deberá actuar principalmente

METODOLOGÍA PARA DETERMINAR LA CAUSA RAÍZ DE UNA FALLA

para eliminarlas o reducirlas en el futuro.

Existen diferentes metodologías o procedimientos para analiEn el análisis de defectos, no siempre se presenta una

zar y determinar la causa raíz de un defecto. Se determinará

sola causa raíz, sin embargo es posible analizar sus efectos,

qué metodología utilizar, de acuerdo al nivel del alcance que se

y tomar acciones correctivas para controlarlas o evitarlas

pretende en la búsqueda de la causa raíz. Se presentan algunas

en el futuro.

de las más utilizadas:

En la ejecución del análisis de fallas o defectos, es necesa-

-

Análisis de falla (FA)

-

Investigación de la causa raíz (RCI)

-

Análisis de la causa raíz (RCFA)

PROCEDIMIENTO PARA REALIZAR UN ANÁLISIS DE FALLA – DEFECTO

-

Análisis de causa raíz (RCA)

Ante el acontecimiento de la detección de una falla, se esta-

HERRAMIENTAS PARA ANALIZAR UNA FALLA O DEFECTO

rio tener en cuenta toda la historia técnica de la fabricación de la pieza en todas las etapas, y además, inclusive, la hoja de vida de cada una de las personas involucradas en ellas.

blece una secuencia y procedimiento para realizar el análisis respectivo, con la finalidad de determinar la causa raíz del problema.

Se seleccionan algunas herramientas más utilizadas para analizar la causa raíz de un defecto:

Causa raíz de la falla o defecto:

-

Técnica 5 por qué (causas latentes organización)

La causa raíz tiene distintas naturalezas, orígenes, áreas de

-

Diagrama ishikawa (causa efecto: lluvia de ideas). catego-

análisis, y pueden tener :

56 -

Origen físico

rías: hombre-máquina-entorno-material-método-medida.

-

Diagrama pareto (80% problemas provienen del 20% causas identifica problemas más significativos del proceso).

-

Origen humano

-

Origen sistema (gestión)- latente

-

el sistema hasta llegar a la causa raíz). Nos permite de una manera ordenada, ir analizando cada uno de los niveles y podemos determinar la causa raíz de la falla o defecto de la

Errores que producen fallas o defectos: Los errores que causan defectos en las piezas fundidas, pueden clasificarse por origen: -

Árbol de fallas (identifica potenciales causas de fallas en

pieza, y evitar su recurrencia.

METODOLOGÍA PARA EL DESARROLLO DE UN ANÁLISIS DE FALLA O DEFECTOS. PROCEDIMIENTO

Operacionales -

Decida qué hacer. Establecemos el nivel del análisis del defecto, costo y duración.

-

Diseño

-

Mantenimiento

-

Manufactura

-

Instalación

-

Recolectar datos relevantes. Procedimiento de la 5 P.

-

Ceguera situacional

-

Determinar el defecto – falla primaria.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

-

Averiguar lo que pasó en la planta.

-

Realizar una investigación preliminar. No eliminar información valiosa.

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

-

Examinamos y analizamos la falla primaria (árbol lógico)

-

Caracterizamos la pieza defectuosa.

no llegar a ninguna.

-

Determinamos el mecanismo que originó el defecto.

-

Determinamos la causa raíz de la falla

Caso: fisuras en superficie mecanizada en agujero de zapata de oruga

-

Elaboración del informe.

Tener mucho cuidado en determinar la causa raíz de un defecto. Llegar a una solución equivocada es mucho más grave que

INFORME El informe que se elabora debe ser claro, preciso, documentado, concreto, objetivo, constructivo, con detalles de todo el proceso del análisis, con las conclusiones y recomendaciones respectivas.

Descripción del elemento fallado La zapata de oruga es un componente que ensamblado con otros similares, forma parte del sistema de traslación de las palas mecánicas, en la minería de tajo abierto. La pieza tiene un peso de 850 Kg., con medidas generales de 1,200 mm. largo X 600 mm. ancho X 250 mm. De espesor. Consta de 6 orejas de ensamble mecanizadas de Ø 115 mm. De diámetro X 150 mm.

De ancho. La pieza es la número 18.

CONCLUSIONES Identificación del componente: El análisis de fallas para determinar la causa raíz, es una valiosa herramienta para encontrar la verdadera razón que ha ori-

Se recopila la información del componente, obtenida según los

ginado el defecto, involucrando en la investigación, a todos

procedimientos de rastreabilidad del sistema de fabricación,

los niveles de la organización, y las conclusiones, acciones

como número de plano, código de pieza, peso, fecha de mol-

correctivas y recomendaciones, permitan controlar y evitar

deo, número de molde, número de colada, y número de Trata-

que estos defectos de repitan en el proceso productivo de

miento térmico.

una pieza fundida.

Información referencial del material según especificacioTodas las variables que participan en el proceso productivo

nes.

de una pieza fundida son importantes. Una o varias de ellas pueden originar un defecto y rechazo de la pieza, por lo tan-

La pieza analizada se fabricó en acero al Manganeso ASTM A

to, es imprescindible controlarlas.

128 grado E-1, con tratamiento térmico de temple (Austeniza-

El factor humano es determinante en un análisis de fallas. El compromiso que asuma cada colaborador en los diferentes niveles de la organización, permitirá tener en cada una de las etapas de la producción, una óptima actitud de confianza, y al presentarse un defecto, contar con la participación de todos ellos, teniendo como objetivo, la búsqueda de la verdad.

RECOMENDACIONES

do). Propiedades mecánicas referenciales: Resistencia a la tracción: 830 / 965 MPa. Límite elástico: 700/750 MPa. Elongación: 30 / 40 %. Dureza: 200 / 230 HB. Historia del proceso de fabricación del componente en el momento de la falla El componente se encontraba en proceso de fabricación, etapa

Aplicar la metodología del análisis de fallas para determinar

de mecanizado, aparentemente bajo condiciones normales. La

la causa raíz de los defectos en piezas fundidas.

herramienta de corte ha sido la adecuada (pastilla de carburo de tungsteno), profundidad, avance, y velocidad de corte, refri-

El analista de fallas tiene como objetivo determinar la causa

gerante. Las herramientas de corte se encontraban calibradas,

que provocó el defecto, y utilizar este conocimiento para evi-

y los operarios debidamente capacitados.

tar defectos similares en el futuro. Su objetivo no es buscar culpables, parcializarse con alguna de las partes involucra-

Detección de la falla.

das. Debe tener una actitud objetiva e imparcial.

Durante el proceso de inspección de rutina en la etapa post Los informes deben mantener un nivel de términos técnicos

mecanizado con END Líquidos Penetrantes, se detectan múl-

y científicos, por más que el defecto sea muy sencillo de de-

tiples fisuras en uno de los seis agujeros mecanizados. La zona

finir.

con las indicaciones comprometen aproximadamente el 20%

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

57

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

de la superficie, a todo lo largo del ancho de la sección ana-

Análisis Metalográfico.

lizada, con una longitud de arco de 50 mm. X 150 mm. de longitud. En el aspecto dimensional, todos los agujeros se en-

Se extraen dos muestras de las zonas M1 (zona sin fisuras), y

contraban dentro de las tolerancias especificadas en el plano

M2 (zona con fisuras). Ambas muestra se embuten en resina.

de fabricación.

Se realiza el pulido con papeles de lija número 240, 400, y 600.

Estudio mecánico y metalúrgico asociado a la falla o defecto.

Las muestras son atacadas con el reactivo de nital al 3%, y se analizan en el microscopio metalográfico óptico, utilizando aumentos de 100X. Ver fig. 3.

Ante el evento suscitado, realizamos los estudios respectivos para caracterizar el material, y apoyar la investigación con los siguientes ensayos:

Los resultados del análisis nos indica: Muestra M1: Matriz 100% Austenítica, con granos poliédricos

-

Inspección por Líquidos Penetrantes.

-

Ensayo de Dureza.

-

Análisis Metalográfico.

-

Composición química.

equiaxiales, con tamaño de grano entre 3-5, según ASTM E112.

Además se observan inclusiones de tipo no metálico dispersas en la matriz, y en los límites de grano.

Resultados y análisis de resultados Las pruebas, análisis y evaluación de resultados se realizan en los laboratorios de la empresa fabricante.

Inspección por Líquidos Penetrantes.

58

Se repite el ensayo mencionado, y se verifica la presencia de la falla o defecto en la zona y dimensiones determinadas preMuestra M1

viamente.

Fig. 4. 100X

CQ

D1, M1

Muestra M2: Matriz 100% Austenítica, con presencia de inclusiones no metálicas, granos poliédricos equiaxiales, y tamaño entre 4-6, con morfología intergranular de bandas, típico de soldadura Austenítica. No se observan precipitados de carburos metáilicos.

D2, M2 Fig. 3

Ensayo de Dureza.

La dureza del material base, registrada en una zona no mecanizada D1, y la zona D2 con fisuras son 210 HB, y D2: 260 HB. Utilizamos el durómetro portátil Equotip . Ver figura 3.

Muestra M2 Fig. 5. 100X

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

Composición química (CQ)

REFERENCIAS

Se extrae una muestra de la zona CQ, de la fig. 3. El análisis

[1]

químico nos muestra que el material corresponde a la espe-

Manual del Fundidor. J. Duponchelle. Editorial Gustavo Galli S.A. Barcelona 1988

cificación del material ASTM A 128 E-1.

[2] Manual de defectos de Fundición. Copy Right 1972.1984.

La muestra se analiza con el espectrómetro de emisión ópti-

American Foundrymens Society. Inc. USA.

ca ARL Metals Analyzer.

[3]

Tecnología de la Fundición. Editorial Gustavo Galli S.A. Barcelona 1980

[4] Causas que originaron la falla.

De acuerdo a los resultados obtenidos en los ensayos detalla-

ASM Heat Treater’s Guide Practices and Procedures for Irons and Steels

[5]

ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating. 1991.

[6]

ASM Metals HandBook Volume 09 - Metallography and

dos, metalográficos, dureza, y con la información de la investigación (entrevistas, reportes, y otros), se llega a determinar que el operario de la máquina herramienta, cometió un error

Microstructures. 1992.

durante el mecanizado. La medida del diámetro de uno de los agujeros interior quedó fuera de tolerancia. Su acción ini-

[7]

cial fue reparar con soldadura la zona con desviación dimen-

ASM Metals Handbook Volume 11 – Failure Analysis and Prevention. 2002.

sional, y rectificar con mecanizado sin consultar a la jefatura inmediata, ni registrar la no conformidad.

[8]

ASM Metals Handbook Volume 15 – Casting. 1992.

Esta segunda acción es considerada como una falta.

[9]

ASM Metals Handbook Volume 17-Nondestructive evaluation and Q.C. 1992.

El material de aporte utilizado es AWS AS.13-80R, para aceros al manganeso tipo Hadfield.

CONCLUSIONES

[10] Defectología de Fundición. Universidad Nacional de Comahue. Ing. Ricardo Echevarría.

[11] Análisis Metalúrgico de Fallas. Dr.-Ing. Pablo Bilmes

La causa raíz del defecto es por ceguera situacional.

[12] ASTM Authorized Global Instructor – Lima 2008 Las múltiples discontinuidades detectadas (fisuras), comprometen el adecuado servicio del componente, por las altas exigencias bajo esfuerzos combinados de tracción, compre-

[13] El Análisis de Falla con Diagramas de árbol. Departamento de seguros de Texas 2008

sión, torsión, y flexión. La pieza es declarada chatarra.

RECOMENDACIONES Promover el diálogo, la confianza, y el compromiso de la empresa con sus colaboradores.

Realizar una revisión, y difusión de los procedimientos de

[14] Análisis de falla en componentes mecánicos, Universidad Católica del Perú, 2010.

[15] AVNER, Sidney (1987). Introducción a la Metalurgia Física.

Segunda Edición. México [16] D.F.: Editorial Mac Graw-Hill.

trabajo entre las personas involucradas en cada etapa del proceso de fabricación.

[17] VAN BLACK, Lawrence H. (1992). Materiales para Ingeniería. México: Compañía Editorial Continental.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

59

HEREDIA, Juan Carlos. “Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero Fundido”

ACERCA DEL AUTOR

Integrante del comité Técnico de Normalización para la Industria de la Fundición Nacional, en representación del Colegio de

Ingeniero Metalúrgico, con maestría en Transformación y

Ingenieros del Perú (CIP), e INDECOPI.

Ciencia de los Materiales de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Lima Perú. Posee un Diplomado en Análisis

Experiencia profesional industrial en tratamiento térmico de

de Fallas de componentes mecánicos por la Pontificia Uni-

los aceros, Ensayos No Destructivos, Ensayos Mecánicos, Repa-

versidad Católica del Perú. Técnico en Mecánica de Produc-

ración de componentes metálicos con soldadura.

ción, y máquinas herramientas.

Actualmente se desempeña como Ingeniero de Control de Docente a tiempo parcial en Tecsup con el curso de Tecnolo-

Calidad, Analista de Fallas, y jefe del Taller de soldadura de la

gía de los Materiales, y Tecsup Virtual con los cursos de Tec-

empresa Fundición Callao S.A.

nología de los Materiales, y Control Estadístico de Procesos.

Original recibido: 19 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 21 de mayo de 2012

ANEXOS

60

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Diseño e Implementación de un Sistema Electrónico de Control Modulante de Nivel en Calderos Design and Performing of an Electronic Shifting Water Level Control in a Steam Boiler César Vera, Tecsup

Resumen

el nivel siempre se mantendrá en el mismo punto de nivel óptimo, y si el nivel subiese o bajase por variaciones en la demanda

Los calderos son máquinas térmicas que tienen como fun-

de vapor, la válvula de ingreso se cerraría o abriría proporcio-

ción generar vapor. Ya sea para sistemas de calefacción,

nalmente para mantener el nivel en su punto óptimo.

generación energía mecánica, generación de energía eléctrica, o incluso procesos de esterilizado y limpieza, el vapor es

Abstract

indispensable en la industria. Para poder generar vapor, los calderos utilizan energía proveniente de la combustión para

Boilers are termal machines made to generate steam. Steam is

elevar la temperatura del agua y transmitirle calor hasta ge-

needed for heat systems, refrigeration systems, motion energy

nerar vapor a una determinada presión.

generation, electric energy generation, and even for cleaning and sterilize proceses. Steam is indispensable in industry.

El proyecto tuvo como alcance mejorar el sistema de control de nivel de agua dentro de las calderas pirotubulares, en las

To be able to produce saturated steam, boilers use the heat

cuales el agua se encuentra rodeando el hogar o quemador.

produced on combustion chamber to raise water temperature

En muchas calderas el control de nivel se basa en dos pun-

and transmit it latent heat.

tos, un nivel máximo que indica que se apague la bomba que proporciona el agua, y un nivel mínimo que es donde

The project was made to improve the water level control sys-

se enciende nuevamente la bomba. Dicho tipo de control se

tem inside pyro tubular boilers. Whereas water surrounds the

denomina “ON/OFF” y es el control más antiguo y típico para

combustion chamber, or combustion housing.

controlar rangos en almacenamiento de fluidos.

In many boilers, level control is based on two points: The upper Pese a ser un control sumamente económico y práctico, tiene

level, which is the maximum stable water level and the lower

varios defectos como son la caída súbita de presión cuando

level, which is the minimum.

ingresa agua fría al caldero, golpes térmicos en el caldero, desgaste de la bomba por arranques continuos, etc.

Upper level shuts off the feeder pump, and lower level indicator turns it on. This kind of control is called “ON/OFF” and is the

Es por ello que se implementó un control modulante que

oldest and most typical system used to manage ranges of fluids

mantiene el nivel en el mismo punto, abriendo y cerrando

in containers such as tanks, reservoirs, boilers, etc.

una válvula proporcional en la alimentación de agua, con variaciones directamente proporcionales al diferencial que

ON/OFF control is economic and practical but is so far from

existe entre el nivel real y el nivel óptimo. De tal manera que

being ideal. It has a lot of mistakes like the sudden water pres-

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

61

VERA, César. “Diseño e Implementación de un Sistema Electrónico de Control Modulante de Nivel en Calderos”

sure drop when pump is turned on, and the thermic damage

Como en todo proceso de diseño, se trazó requerimientos y ob-

in the boiler due to the cold water, and the excessive load on

jetivos que debe cumplir el control a implementar, tales como

every pump start, which reduces its lifetime.

confiabilidad, economía, impacto al medio ambiente, etc. Para ello se realizó una matriz morfológica y se seleccionó las tecno-

That is why we implemented a modulating control that

logías y procedimientos más apropiados para el proceso.

keeps the level at the same point, opening and closing a proportional valve in the water supply, with variations directly

Entre las opciones consideradas se optó por utilizar la tecnolo-

proportional to the difference between the actual and the

gía de microcontroladores Motorola-Freescale de 32 bit para

optimal level. So that the level will always remain in the same

el sistema de procesamiento de datos. Para el sistema de ac-

optimal point, and if you ascend or descend level by varia-

tuación; el manejo de fluidos se realizó utilizando dos servo

tions in steam demand, the intake valve is closed or open

válvulas proporcionales con motor paso a paso. Y para el siste-

proportionally to maintain the level at its peak.

ma de adquisición de datos se utilizaron sensores ópticos NPN

Palabras clave

con señal digital. Además que todo fue montado en un tablero que incluía etapas de protección-aislamiento con optoacopladores, acondicionamiento de señal y puentes H integrados con

Calderas pirotubulares, control de nivel modulante, micro-

transistores MOSFET para la etapa de potencia.

controladores Freescale-motorola, electroválvulas proporcionales, generación de vapor, sensores ópticos.

MARCO TEÓRICO

Key words

Sistema encendido – apagado (On/off)

Pyro tubular boilers, shifting level control, microcontrollers,

Este es el mas sencillo de los sistemas de control; el quemador

freescale-motorola, proportional electrovalves, steam gene-

esta encendido a su maxima capacidad, o completamente apa-

ration, optic sensors.

gado. La mayor desventaja de este metodo de control radica

INTRODUCCIÓN 62

en que la caldera se sujera a choques termicos bruscos, cada vez que el encendido. Por lo tanto, su uso debe limitarse a calderas pequeñas hasta unos 500 kg vapor/hora.

La automatización puede mejorar la calidad, la eficiencia y la efectividad de los procesos de producción, sin embargo, en la industria nacional aún es común ver procesos totalmente

Ventajas del sistema de control encendido-apagado

manuales y poco eficientes. Pese a que los inversionistas son conscientes de que la automatización significaría un gran

Son sistemas accesibles y fáciles de instalara

paso en sus industrias, los proyectos que se plantean requieren de la importación de complejos sistemas de control, o

Representan una alternativa sumamente económica para el

de controladores lógicos programables (PLC), que si bien son

control de nivel.

eficientes para la industria moderna, la inversión que requieren sobrepasa la capacidad logística de muchas empresas.

Desventajas del sistema de control encendido-apagado

Asimismo, existen técnicas y mejoras que se plantean para

Si se presenta una demanda fuerte de vapor inmediatamente

incrementar la eficiencia, reducir las emisiones y mejorar la

después de apagarse el quemador, se reduce considerable-

productividad de los procesos. Sin embargo, tampoco se

mente la cantidad de vapor disponible.

aplican por la falta de iniciativa.

Se producen choques termicos a los componentes de la calEn el planteamiento del proyecto se propuso soluciones a los problemas mencionados. Entonces se optó por realizar una mejora en la eficiencia de los calderos, reemplazar el proceso de control de nivel ON/OFF y diseñar un control de nivel modulante controlado electrónicamente con microcontroladores para demostrar que existen otras alternativas de automatización.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

dera.

Ventajas del control modulante sobre el control on/off Independientemente de la cantidad de elementos que se utilicen el control modulante tiene varias ventajas sobre el control on/off. Entre estas podemos mencionar:

VERA, César. “Diseño e implementación de un sistema electrónico de control modulante de nivel en calderos”

Presión y caudal de vapor estable.

Mayor eficiencia en la operación del quemador.

Condición con control de nivel Se plantea cambiar la boya Mc donnell por un sensor de nivel

Menor fatiga térmica sobre la pared de la caldera. El agua no

electrónico y controlar el agua entrante al caldero con 2 elec-

se puede alimentar a más de 90 °C porque puede darse ca-

troválvulas.

vitación en las bombas, esto implica que en el control todo/ nada se producen choques térmicos en la caldera que esta-

La bomba que genera caudal de ingreso de agua ya no será

ría trabajando a una temperatura más alta que el agua pro-

prendida y apagada cada vez que el nivel de agua varíe dentro

veniente de la bomba.

de la caldera; sino que estará siempre prendida y el caudal que ingrese será regulado por la apertura de 2 electroválvulas de

Menor arrastre de agua con el vapor Puede utilizarse una es-

control, que dirigirán el flujo a la caldera o de retorno al depó-

tación central de bombeo.

sito de agua blanda.

Control manual del nivel de agua PROCEDIMIENTO En el sistema de control la bomba era controlada directamente por los contactos de la boya mc donnell. Por lo tanto, cuando la boya detecta el nivel mínimo enciende la bomba, y cuando detecta el nivel máximo; apaga la bomba.

Cuando disminuye el nivel, ingresa una cantidad considerable de agua fría que afecta directamente la demanda de vapor del caldero. Por lo tanto, si algún proceso depende del caldero, lamentablemente dicho proceso tendrá una presión

63

muy cambiante, dado que cada cierto tiempo ingresará agua fría al caldero que estropeará la producción de vapor hasta que el caldero recupere su presión y temperatura

Figura 2. Distribución de agua control modulante

El sensor de nivel mandará señales eléctricas que indiquen el nivel actual del agua, estas serán interpretadas por el controlador, que a su vez enviará una señal a las electroválvulas que determinarán la apertura necesaria para mantener el nivel de agua siempre uniforme.

Realizar este tipo de control ayudará a que la producción de vapor, el ingreso de caudal de agua al caldero, el consumo de combustible y el nivel de agua sean constantes a través del Figura 1. Distribución de agua control ON-OFF

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

tiempo

VERA, César. “Diseño e Implementación de un Sistema Electrónico de Control Modulante de Nivel en Calderos”

Figura 5. Grafico Temperatura vs Entropía

Eficiencia Térmica de Producción de vapor control ON/OFF 53%.

Figura 3. Arreglo de sensores ópticos

Datos de la Caldera:

64

Serie:

039 – 97

Modelo:

DV30 – 7 – 2

Capacidad:

7 BHP

Producción de Vapor:

241.5 lb/hr

Consumo de Combustible:

2 Gal/hr

Potencia de Diseño:

125 Psig

Figura 6. Diagrama de bloques del proceso

RESULTADOS

Con los siguientes datos de entrada se procedió a calcular la

Se procedió a medir parámetros térmicos tales como presión

eficiencia térmica donde se corroboro un aumento de 5% de

temperatura, consumo de agua, consumo de combustible, en

eficiencia utilizando el control modulante

donde se obtuvo una caída apreciable en el consumo de combustible, de igual manera la presión de trabajo se estabilizo y aumento el consumo de agua

Figura 4. Vista de la caldera

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Figura 7. Consumo de combustible vs tiempo

VERA, César. “Diseño e implementación de un sistema electrónico de control modulante de nivel en calderos”

aumentando entonces 5%, debido a que el consumo de combustible (D-2) disminuyo.

•

Con un control ON-OFF La presión de trabajo, disminuye en medida que prende y apaga el quemador, que tiene un mando directo a través de un presostato y un diferencial de presión, eso hace que la presión de salida de vapor no sea constante, con el control modulante, la presión se estabilizo y se mantuvo mas constante, independientemente del consumo de vapor.

Figura 8. Presión de vapor parcial vs tiempo

REFERENCIAS [1]

Spirax Sarco (2010), Control de nivel de agua y alarmas para sistemas de vapor.

[2]

Spirax Sarco (2010), Control de nivel (on/off o modulante), utilizando sondas capacitivas

[3]

Avalos, (2002), Teoría de control ajuste de calderas industriales. Universidad Politécnica de México.

Figura 9. Volumen de agua de ingreso vs tiempo

CONCLUSIONES

[4]

Freescale (2010), Coldfire Microcontrollers.

[5]

Fchat EES (2009)(Engineering Equation Solver) .

[6]

Cengel Yunus (2003), Mecánica de fluidos fundamentos y aplicaciones.

•

Se demostró la viabilidad del control basado en microcontroladores embebidos, que son mucho más ac-

[7]

Van Wylen (2003), Fundamentos de la Termodinámica.

cesibles que los PLC y, si se seleccionan de la manera apropiada, pueden llegar a estándares similares de

ACERCA DEL AUTOR

confiabilidad Ingeniero Mecánico egresado de la Universidad Nacional de •

La producción de vapor fue constante, no genero caí-

San Agustín, Magíster en Ingeniería Mecánica por la Pontífice

das de presión.

Universidade Católica de Rio de Janeiro (Brasil), especialidad en Motores de combustión Interna con énfasis en Máquinas

•

La alimentación de agua al caldero, se da a través de

Térmicas, Petróleo - Gas y Energía, proyectos de conversión de

una bomba hidráulica, parte del arreglo hace que dicha

motores Diesel a combustibles alternativos

bomba funcione todo el tiempo y solamente el agua no utilizada recircule.

Se ha desempeñado como asesor en temas relacionado con la producción y máquinas térmicas, además ha sido monitor en

•

La Eficiencia térmica fue calculada utilizando el progra-

el Laboratorio de Ingeniería Vehicular de la PUC-Rio (Brasil)

ma EES (Engineering Equation Solver) donde se varió

actualmente se desempeña como docente en el área de Me-

algunos parámetros para un cálculo más específico.

cánica de Tecsup, sede Arequipa, donde dirige el programa de Desarrollo y Promoción de Tecnología Basada en Fuentes de

•

Utilizando el control ON-OFF de fábrica de la caldera,

Energía Renovable. Dominio del idioma portugués e inglés.

se calculó una eficiencia de 53% en la generación del vapor trabajando con presiones bajas, por otro lado,

Original recibido: 19 de marzo de 2012

el control modulante, generó una eficiencia de 58%,

Aceptado para publicación: 23 de mayo de 2012

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

65

Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados Fenton Process for Treatment of Colored Effluents Adriana Barja, Tecsup Hernán Zapata, Tecsup

Resumen

Key Words

El presente trabajo se refiere a la investigación de degra-

Fenton, degradation of methylene blue, methyl orange, hy-

dación de efluentes coloreados, lo que se busca es un tra-

drogen peroxide, ferrous ion.

tamiento que transforme estos efluentes en compuestos incoloros;el método utilizado para este fin es el método Fen-

INTRODUCCIÓN

ton, el cual es un proceso de oxidación avanzada que permite la degradación de los efluentes orgánicos, para ello los

Las aguas residuales coloreadas generadas por las industrias

parámetros evaluados en este estudio fueron pH, peróxido

no pueden ser vertidas al alcantarillado sin ningún tratamiento

de hidrogeno e ion hierro (II), a los cuales se les realizaron

debido a que podrían ser tóxicas para la flora o fauna y además

ensayos variando sus concentraciones para así obtener la

al ser coloreadas, no dejan pasar la luz del sol en las aguas, ge-

concentración óptima de cada reactivo y el pH ideal, a una

nerando así la baja o eliminación del proceso de fotosíntesis.

presión atmosférica y temperatura ambiente con la finalidad de obtener efluentes incoloros.

Abstract

Es por ello que se busca un tratamiento el cual posibilite una degradación efectiva del efluente, sin producir efectos colaterales al ambiente;además el tiempo empleado para tal fin debe ser mínimo y el desarrollo de éste debe ser accesible

The present paper concerns the investigation of degradation

económicamente. Un método químico que transforma los con-

of colored effluents, which are looking for a treatment that

taminantes orgánicos coloreados en compuestos incoloros es

transforms these effluents into colorless compounds, the

el método Fenton; utilizando éste método podemos encontrar

method used for this purpose is the method Fenton , which

que se produce un cambio en la estructura, una oxidación par-

is an advanced oxidation process, which allows the degra-

cial y/o total en los colorantes, llegando a degradar al efluente

dation of organic effluents for this purpose the parameters

hasta eliminar su color.Por tal motivo, la elaboración de este

evaluated in this method were pH, hydrogen peroxide and

proyecto busca demostrar mediante datos experimentales,

iron (II), which tests were performed by varying their concen-

que variando el pH, las concentraciones de peróxido de hidro-

trations in order to obtain an optimal concentration of each

geno y del ión hierro (II) se logra degradar el efluente coloreado

reagent and an ideal pH, at atmospheric pressure and room

en un tiempo mínimo.

temperature.

Palabras clave

FUNDAMENTOS El método Fenton involucra dos componentes, un catalizador

Fenton, degradación del azul de metileno, anaranjado de metilo, peróxido de hidrogeno, ión ferroso.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

y un oxidante químico. El catalizador puede ser Fe(II) o Fe(III) y

67

BARJA, Adriana. â&#x20AC;&#x153;Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreadosâ&#x20AC;?

el agente oxidante comĂşnmente utilizado es el perĂłxido de

mĂĄxima absorbancia. Los valores obtenidos fueron :

hidrĂłgeno. El objetivo principal de la reacciĂłn de Fenton es la formaciĂłn de radicales hidroxilo (OH.), el cual es un oxidan-

-

Para azul de metileno:

te bastante fuerte y es el responsable de la oxidaciĂłn de las molĂŠculas orgĂĄnicas; para ĂŠsta reacciĂłn el pH de la soluciĂłn

665 nm para todos los pH

debe ser ĂĄcido [2]; este proceso se vuelve catalĂ­tico cuando el Fe2+ se oxida a Fe3+.[1]

-

Fe2++H2O2Fe3+

ďż˝

OH.+ OH-(1)

Fe2++OH.Fe3+

ďż˝

OH-(2)

Fe3+ + H2O2Fe2+

ďż˝

OOH.- + H+ (3)

Para anaranjado de metilo : 515 nm a pH = 2 y 3 465 nm a pH = 4 â&#x20AC;&#x201C; 9

Una vez determinado estos valores, se evaluaron los siguientes

Experimental:

parĂĄmetros: pH, concentraciĂłn de agua oxigenada y concentraciĂłn de iĂłn ferroso; para lo cual se midiĂł la absorbancia en

Materiales

cada experimento a la longitud de onda ya determinada.

RESULTADO

Los equipos empleados fueron: â&#x20AC;˘ XplorerGLX

Con la absorbancias iniciales y finales se determinĂł el porcentaje de color remanente, con la siguiente fĂłrmula :

â&#x20AC;˘ Espectofotometro Jenway

68

Muestras:

%CR = đ??´đ??´đ??´đ??´đ??´100

Se prepararon dos efluentes sintĂŠticos por separado: azul

Donde: Af: absorbancia final

de metileno con concentraciĂłn de 50 ppm y anaranjado de Ai: absorbancia inicial

metilo con concentraciĂłn de 100 ppm. Las modificaciones de pH se realizaron utilizando ĂĄcido sulfĂşrico e hidrĂłxido de sodio. El agente oxidante fue agua oxigenada y la sal de iĂłn

Todas las muestras se evaluaron por duplicado y con ellos se

ferroso fue sulfato ferroso heptahidratado.

obtuvo un promedio, el cual se muestra en las tablas 1 â&#x20AC;&#x201C; 6.

PROCEDIMIENTO

A continuaciĂłn se muestran los resultados obtenidos para el azul de metileno y para el anaranjado de metilo :

Primero se procediĂł a realizar un barrido preliminar, para determinar la longitud de onda a la cual cada colorante da la

pH

Tiempo min

2

3

4

5

6

7

8

9

0

100

100

100

100

100

100

100

100

5

63.09

19.33

77.03

100

100

100

100

100

10

40.13

15.55

75.40

100

100

100

100

100

15

24.16

13.09

69.14

100

100

100

100

100

20

18.37

10.84

55.01

100

100

100

100

100

25

12.26

9.60

49.11

100

100

100

100

100

30

11.35

8.09

46.33

100

100

100

100

100

Tabla 1 : Porcentaje de color remanente a diferentes valores de pH, para el azul de metileno con 240 ppm H2O2 y 25 ppm Fe2+

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

BARJA, Adriana. “Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados”

H2O2, ppm

Tiempo min

300

240

210

180

150

0

100

100

100

100

100

5

31.07

19.33

25.34

26.11

22.86

10

23.26

15.55

19.22

19.87

18.90

15

20.51

13.09

16.56

17.29

16.50

20

18.84

10.84

14.34

14.89

14.64

25

17.23

9.60

13.04

13.81

13.50

30

15.44

8.09

12.05

12.67

12.72

Tabla 2 : Porcentaje de color remanente a diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno, para el azul de metileno a pH = 3 y con 25 ppm Fe2+

Fe2+, ppm

Tiempo min

5

10

15

20

25

30

40

50

0

100

100

100

100

100

100

100

100

5

57.08

24.20

24.77

25.60

19.33

17.45

21.28

30.82

10

24.23

16.43

15.86

17.44

15.55

14.05

17.02

29.66

15

16.95

13.63

13.10

14.60

13.09

11.75

14.79

29.08

20

14.17

11.67

11.14

12.78

10.84

9.85

13.47

25.40

25

12.60

10.00

9.65

12.03

9.60

8.90

13.40

25.25

30

11.35

8.49

8.54

9.08

8.09

7.87

13.01

25.19

Tabla 3 : Porcentaje de color remanente a diferentes concentraciones de ión ferroso, para el azul de metileno a pH = 3 y con 240 ppm H2O2

pH

Tiempo min

2

3

4

5

6

7

8

0

100

100

100

100

100

100

100

5

4.3

18.34

98.28

100

100

100

100

10

1.38

9.08

36.34

100

100

100

100

15

0.97

6.25

20.14

100

100

100

100

20

0.81

4.73

14.67

100

100

100

100

25

0

3.76

11.66

100

100

100

100

30

0

3.08

9.76

100

100

100

100

Tabla 4 : Porcentaje de color remanente a diferentes valores de pH, para el anaranjado de metilo con 240 ppm H2O2 y 25 ppm Fe2+

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

69

BARJA, Adriana. “Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados”

H2O2, ppm

Tiempo min

300

240

210

180

150

0

100

100

100

100

100

2

23.62

23.93

12.38

21.79

17.63

4

9.54

4.02

5.48

9.01

7.93

6

5.11

1.87

4.09

7.05

7.30

8

3.07

1.27

2.49

5.73

12.23

10

1.76

1.04

1.92

5.53

16.17

Tabla 5 : Porcentaje de color remanente a diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno, para el anaranjado de metilo a pH = 2 y con 25 ppm Fe2+

70

Fe2+, ppm

Tiempo min

5

10

15

20

25

0

100

100

100

100

100

2

100

100

100

79.22

23.93

4

100

100

94.26

30.35

4.02

6

100

98.79

76.55

11.13

1.87

8

100

97.70

41.13

5.22

1.27

10

100

90.23

20.28

3.98

1.04

Tabla 6 : Porcentaje de color remanente a diferentes concentraciones de ión ferroso, para el azul de metileno a pH = 2 y con 240 ppm H2O2

Gráfico 1 : Porcentaje de color remanente en función del pH, para el

Gráfico 3 : Porcentaje del color remanente en función de la concentración

azul de metileno

del ión ferroso, para el azul de metileno

Gráfico 2 : Porcentaje de color remanente en función de la concentra-

Gráfico 4 : Porcentaje de color remanente en función del pH, para el

ción del peróxido de hidrógeno, para el azul de metileno

anaranjado de metilo

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

BARJA, Adriana. “Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados”

H2O2H2O

�

½ O2(4)

En la Tabla 3 y Gráfico 3, apreciamos que aparentemente los mejores valores se encuentran entre una concentración de 10 a 30 ppm Fe(II), pero se realizó otro experimento donde se dejó 4 h en estos recipientes y se observó que el colorante con 5 ppm de Fe(II) se encontraba totalmente incoloro y sin precipitado, en cambio los que tenían entre 10 y 25 ppm de Fe(II), se encontraban incoloros pero con un poco de precipitado de color azul, mientras que los que te-

Gráfico 5 : Porcentaje de color remanente en función de la concentra-

nían entre 30 a 50 ppm Fe(II) estaban igualmente incoloros

ción del peróxido de hidrógeno, para el anaranjado de metilo

pero con precipitado marrón amarillento, ver Figura 1, ello se debe a que el hierro (II) se oxidó a hierro (III) y precipitó como hidróxido de hierro (III)que es de color amarillo, ver Gráfico 7, pero que debido a la concentración se observa más oscuro, en cambio el precipitado azul se debe a que además de haber precipitado el hidróxido férrico, éste adsorbió colorante y de allí la tonalidad adquirida. Por tanto a menores concentraciones, el hierro (II) no precipita.

Gráfico 6 : Porcentaje del color remanente en función de la concentración del ión ferroso, para el anaranjado de metilo

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

71

A continuación se comentan los resultados obtenidos para los dos colorantes evaluados. a. Azul de metileno

Gráfico 7 : Diagrama de Pourbaix para el hierro[3]

En la Tabla 1 y Gráfico 1 se observa que a pH mayor a 5 el proceso no funciona, ello puede deberse a que el Fe(II) sólo se encuentra disponible a pH muy ácidos, ver Gráfico 7, por tanto no se pueden realizar las reacciones(1) y (2) y si éste se oxidara a Fe(III) para realizar la reacción (3), tampoco estaría disponible por la formación del hidróxido correspondiente, ver Gráfico 7; por tanto la acción catalizadora se elimina, de allí que se concluyeque el pH óptimo es 3.

De la Tabla 2 y Gráfico 2, se verifica que el valor óptimo de concentración de H2O2 es 240 ppm, la razón que explicaría por quéla eficiencia disminuye a valores más al-

5

10

15

20

25

tos de H2O2 podría deberse a que el agua oxigenada sufre una desproporción, según la reacción (4), y por ende la concentración de agua oxigenada disponible bajaría.

Figura 1 : Color final después de 4 h para el azul de metileno, a diferentes concentraciones del ión ferroso

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

BARJA, Adriana. “Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados”

b. Anaranjado de metilo:

-

Usando el anaranjado de metilo a concentraciones de 100 ppm, las condiciones óptimas para la decoloración fueron

En la Tabla 4 y Gráfico 4 se observa que a pH mayor a 5 el

:pH igual a 3, 240 ppm de peróxido de hidrógeno y 15 ppm

proceso no funciona, ello es debido, al igual que para el

de ión ferroso.El tiempo necesario para la decoloración fue

azul de metileno, que el Fe(II) sólo se encentra disponible

de 10 min.

a pH muy ácidos, ver Gráfico 7. El pH óptimo para éste colorante es 2, pero en la Gráfica 4 también apreciamos

-

que la cinética de degradación sigue la misma tendencia

Se logró el objetivo del trabajo que era la decoloración de los colorantes estudiados por el método Fenton.

que a pH = 3.

En la Tabla 5 y Gráfico 5, observamos que, al igual que en la evaluación anterior, la concentración de peróxido de hidrógeno óptima es de 240 ppm, pero en esta oportunidad cuando se eleva la concentración de agente oxidante, este no baja mucho su eficiencia, por lo que la reacción (4), no se encuentra muy favorecida con éste colorante.

RECOMENDACIONES Se recomienda un análisis por espectroscopia infrarroja para identificar cuáles son los productos de reacción.

REFERENCIAS [1] Milena, S.; Aguliar, J.; Guillermo, L., “Tratamiento de con-

En la Tabla 6 y Gráfico 6, se aprecia que a 25 ppm Fe(II) se

taminantes orgánicos por foto fenton con luz artificial”,

obtienen los mejores valores, pero como se observa en

Revista de Ingenierías Universidad de Medellín, Vol.8,

la figura 2, entre 15 y 25 ppm Fe(II), la tonalidad de éstos

N°15, 53-62 (2009).

es baja y se forma un precipitado amarillo. Por tanto el óptimo sería a 15 ppm Fe(II).

[2] Martinez E.C. –Lopez G.D., “Tratamiento químico contaminantes orgánicos- El proceso Fenton”, Revista de Ingenerias de Universidad Tecnológica Nacional.

[3]

72

Outokumpu. [programa de computadora]. HSC Chemistry 7.1; 2010.

ACERCA DE LOS AUTORES Adriana Paola Barja Obando Practicante en la especialidad de procesos químicos y metalúrgicos del instituto superior tecnológico Tecsup de Lima (2012).

Practicas realizadas en el laboratorio de análisis instrumental de Tecsup, investigando degradación de los efluentes coloreados utilizando el método Fenton.

Hernán Zapata Gamarra Ingeniero químico de la universidad nacional de Trujillo, con estudios de maestría en la pontificia universidad católica del Perú. Amplia experiencia en tratamientos y análisis de efluenFigura 2 : Color inicial y final para el anaranjado de metilo a diferentes

tes, expositor de diversos eventos nacionales, miembro del Co-

concentraciones de hierro (II)

legio de Ingenieros del Perú, así como de la Sociedad Química del Perú. Actualmente docente en el departamento de proce-

CONCLUSIONES

sos químicos y metalúrgicos, Tecsup 1, en las áreas de química analítica ambiental e ingeniería ambiental.

-

Usando el azul de metileno a concentraciones de 50 ppm, las condiciones óptimas para la decoloración fueron :pH

Original recibido: 20 de marzo de 2012

igual a 3, 240 ppm de peróxido de hidrógeno y 5 ppm de

Aceptado para publicación: 24 de abril de 2012

ión ferroso. El tiempo necesario para la decoloración fue de 25 min.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad (Perú) Four Doses of Nitrogen Effect on the Yield of Artichoke Ratoon (Cynara scolymus L.) var. Lorca in Moche, La Libertad (Perú) Victoria Larco, Tecsup

Resumen

plete blocks with four treatments, one witness and four repetitions of each one, that were as follows: the witness treatment

Este trabajo determinó el efecto de cuatro dosis nitrogena-

0N.ha-1 (t0), 30 N.ha-1 (t1), 60 N.ha-1 (t2), 90 N.ha-1 (t3) and 120

das sobre el rendimiento de soca en alcachofa sin espinas

N.ha-1 (t4). Additionally, it was employed 50 units of potassium

(Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad. Se

for every treatment excepting the witness one. It was made a

realizó en un campo que inició la etapa de soca a los 161 días,

variance analysis and the test of meaning of Duncan, with a sig-

conducido bajo riego por gravedad. La cosecha se realizó en-

nificance level of 5%.

tre el 2 de Noviembre del 2006 y el 9 de Enero del 2007.

Results showed that during the whole harvesting period, the Se empleó un diseño experimental de bloques completos al

highest yields where obtained, being 90N (t3) and 120N (t4) with

azar, con cuatro tratamientos, un testigo y cuatro repeticio-

3139.8 kg.ha-1 and 3005.9 kg.ha-1 respectively. In like manner,

nes de cada uno, que fueron los siguientes: el tratamiento

these treatments obtained the highest yields in useful raw ma-

testigo (t0) no tuvo fertilización; t1, t2, t3, t4, con 30, 60, 90 y

terial weight and first quality inflorescences weight.

120 unidades de N.ha-1 respectivamente. Además se empleó 50 unidades de potasio en todos los tratamientos, excepto

Palabras clave

el testigo. Se realizaron, el análisis de varianza y la prueba de significación de Duncan, con un nivel de significancia de 5 %.

Alcachofa, Lorca, Soca, Fertilización, Cosecha.

Los resultados mostraron que, durante el periodo total de co-

Key words

secha, los mayores rendimientos se obtuvieron con 90N (t3) y 120N (t4) con 3139.8 kg.ha-1 y 3005.9 kg.ha-1 respectivamente.

Asimismo, con estos tratamientos, se obtuvieron los mayores rendimientos de materia prima aprovechable y de calidad

Artichoke, Lorca, Ratoon, Fertilization, Yield.

INTRODUCCIÓN

primera.

La superficie cosechada del cultivo de alcachofa en nuestro

Abstract

país, viene creciendo en forma sustancial durante los últimos años (principalmente en las Regiones de mayor producción

This research determined the effect of four nitrogened doses

como La Libertad, Ancash, Ica y Junín), como respuesta a la de-

on the yield of artichoke ratoon (Cynara scolymus L.) cv. Lorca,

manda de este cultivo por parte de las empresas agroindustria-

on a crop with 161 days, conducted under gravity irrigation.

les exportadoras y de los principales mercados internacionales

The harvest started since November 2 of 2006 until January

de consumo de esta hortaliza (Arredondo, 2007).

9 of 2007.

Las empresas productoras y exportadoras de alcachofa cuenIt was employed an experimental design of randomed com-

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

tan en gran medida con el conocimiento de los requerimientos

73

LARCO, Victoria. “Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad (Perú)”

del cultivo para disminuir los costos de producción, optimi-

La soca en el Perú es beneficiosa desde el punto de vista de lo-

zar el uso de recursos y aplicar la certificación GLOBALGAP

grar una mayor rentabilidad de la explotación agrícola, ya que

para poder acceder a los mercados europeos. Unas de sus

mediante esta técnica se obtiene un ingreso marginal al culti-

prácticas comunes es la realización de campaña “soca” den-

vo, sobretodo cuando los transplantes iniciales se han hecho

tro de manejo del cultivo, con lo cual buscan asegurar una

al fin del verano. La realización de soca se debe ver desde un

materia prima de buena calidad y en lo posible, a bajo costo

punto de vista económico, es decir evaluar el costo beneficio

por hectárea, y proveer a su fábricas todo el año. Dentro de

y la oportunidad (considerando al mercado y las condiciones

este manejo de soca, las experiencias diversas de agriculto-

climáticas), los inconvenientes técnicos de su manejo pueden

res y empresas no dejan en claro si el uso de fertilizantes en

superarse con un buen planeamiento agrícola. Una de éstos

esta etapa es indiferente con su producción y calidad a entre-

es la fertilización, porque lo que se necesita es promover un

gar, que al final les retribuye el precio a pagar.

desarrollo violento del follaje, ya que el sistema radicular está totalmente desarrollado. El momento de fertilización debe ser

Teniendo en cuenta esto, la investigación estuvo orientada a

inmediato al chapodo. El tipo de fertilizante, dependiendo del

determinar el efecto de la fertilización nitrogenada sobre el

suelo, debe ser en lo posible una fuente de alta solubilidad y

rendimiento y calidad en soca de alcachofa (Cynara scolymus

disponibilidad. (Lucchetti, 2008).

L) var. Lorca en Moche, La Libertad.

METODOLOGÍA

FUNDAMENTOS

Lugar y fecha del experimento:

Según Donato (1993) el 41.8 % de materia verde de alcacho-

74

fa corresponde a las hojas. El ritmo de producción de masa

El trabajo de investigación se realizó en el Turno A3, lote A del

verde varía durante las diversas fases del ciclo vegetativo e

fundo “El Golf” de la Empresa Sociedad Agrícola Virú S.A., si-

influencia directamente la absorción de los nutrientes. Asi-

tuado en el Km. 562 de la Panamericana Norte, provincia de

mismo la absorción de nitrógeno y potasio por parte de las

Trujillo, departamento de La Libertad. A 79°01’09” de longitud

hojas es de 40.6 y 31.1 % respectivamente y por parte de los

oeste, 8°08’08” de latitud sur y una altitud de 13.7 m.s.n.m. Fue

capítulos el 39.1 y 33.4% respectivamente. Estudios realiza-

desarrollado durante los meses de octubre del 2006 a enero

dos por Magnifico y Lattanzio (1976) en el sur de Italia consi-

del 2007.

derando una población de 6900 pl.ha-1 concluyeron que en una campaña fueron extraídos 286 kg.ha-1 de N, 19 kg.ha-1 de

Características del Área Experimental:

P y 305 Kg.ha de K. -1

a. Clima: Comúnmente en el cultivo de alcachofa después de una campaña principal o “transplante” que dura aproximadamente

Durante el periodo en que se desarrolló el trabajo (Noviem-

200 días le continúa una campaña denominada “soca”. Ésta

bre 2006- Enero 2007) se obtuvo la mayor temperatura en

consiste en realizar un chapodo o corte de la planta madre

el mes de Enero, con una máxima de 29.1 ºC y una mínima

para hacer producir los hijuelos basales que quedan después

de 20.4 ºC y la menor temperatura registrada fue en el mes

del corte. Esta campaña tiene una duración aproximada de

de Octubre con una máxima de 23 ºC y una mínima de 16.5

60 días y se pretende en todo momento costos de produc-

ºC. La evaporación en tanque alcanzó su máximo registro

ción mínimos y rendimientos de 5-12 t.ha (Villegas, 2007).

en el mes de Enero con 5.3 mm.día-1 y la mínima en Octu-

-1

bre con 3.8 mm. día-1.

La práctica de soca es valiosa por varios motivos: permite obtener al menos 15% de cosecha adicional por año; se obtiene

b. Suelo

una alcachofa de buena calidad pues se renuevan las plantas; tiene un bajo costo de producción por kilo; permite ingresar

La clase textural del suelo correspondió a un suelo franco

alcachofa a las plantas de procesamiento en épocas en las

con pH 8, clasificado como un suelo moderadamente al-

cuales normalmente no habría producto, lo cual aligera los

calino según LASPAF (Laboratorio de Análisis de Suelos,

costos fijos de las fábricas; su buena calidad y bajo costo la

Plantas, Aguas y Fertilizantes de la Universidad Agraria La

convierten en buen negocio para el agricultor; las plantas de

Molina - 2006). Maroto (1995) afirma que la alcachofa es un

procesamiento obtienen uen precio por sus conservas pues

cultivo resistente a la salinidad y presenta adaptabilidad a

están fuera del pico de oferta (Ramírez, 2008).

suelos ligeramente alcalinos. La conductividad eléctrica del

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

LARCO, Victoria. “Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad (Perú)”

suelo fue de 2.69 dS.m-1, interpretándose como ligera-

mento del corte un tocón a aproximadamente 10 cm. del

mente salino.

suelo.

c. Características del Cultivo:

2. Delimitación del área experimental:

El cultivo de alcachofa (Cynara scolymus L.) variedad Lor-

Se determinó previamente el tamaño de los bloques y los

ca, fue instalada por transplante el 19 de abril del 2006,

tratamientos según el diseño experimental; se procedió a

conducido bajo el sistema de riego por gravedad, con

medirlos, marcarlos e identificarlos mediante banderines

un distanciamiento entre surcos 1.6 m. y entre plantas

según el tratamiento correspondiente; se dejó 12 metros

0.60m., haciendo una densidad aproximada de 10416

entre bloques para evitar alguna influencia del arrastre de

planta.ha-1. Durante esta campaña de “transplante” se

fertilizantes por el riego.

realizó una fertilización por hectárea con 426 unidades de N, 227 unidades de P2O5, 445 unidades de K2O, 100

Ejecución de los tratamientos:

unidades de CaO y 15 unidades de Mg, las cuales se fraccionaron en 6 aplicaciones de forma puyada. El consumo

Los tratamientos se ejecutaron una semana después del

total de agua para esta etapa superó los 22 000 metros

chapodo, dando tiempo para que la población de hijuelos

cúbicos por hectárea.

se uniformice. Se distribuyó la cantidad en kilos de fertilizantes correspondiente a las unidades para cada trata-

La etapa de soca se inició a los 161 días de cultivo, cuan-

miento, excepto el testigo y su aplicación fue en forma de

do se realizó el chapodo de la parte foliar el 27 de sep-

puyado. Los fertilizantes usados fueron Cloruro de potasio

tiembre del 2006. Durante este periodo el consumo de

y Urea.

agua fue de aproximadamente 12000 metros cúbicos por hectárea, por la reducción del ciclo del cultivo.

Actividades posteriores a la aplicación de los tratamientos:

DISEÑO EXPERIMENTAL: 1. Control Fitosanitario

75

Se empleó el diseño experimental de bloques completos al azar con 5 tratamientos y 4 repeticiones.

En cuanto a plagas el problema principal fue el ataque de gusanos (Heliothis virescens y Spodoptera sp.) que per-

Los tratamientos fueron:

judican directamente a los capítulos; estos problemas se controlaron con el uso de un insecticida en una aplicación

Clave

Descripción

dirigida con una mochila a palanca.

t0

:

0 unidades de N. ha-1 (Testigo)

t1

:

30 unidades de N. ha-1

t2

:

60 unidades de N. ha-1

t3

:

90 unidades de N. ha-1

El riego fue por gravedad. Después del chapodo la frecuen-

t4

:

120 unidades de N. ha-1

cia fue interdiaria mientras que durante la cosecha fueron

2. Riego

diarios.

Cada parcela o unidad experimental consistió de cinco surcos, haciendo un total de veinticinco surcos por bloque, cuya

Inmediatamente realizada la fertilización se realizó un rie-

área fue de 640 m2.

go ligero.

El área total del campo experimental fue de 4000m2.

Actividades previas a la aplicación de los tratamientos:

3. Cosecha La cosecha se inició 15 días después de la aplicación de los tratamientos. Esta labor se realizó en forma manual usando

1. Chapodo:

un cuchillo para cortar las inflorescencia (capítulos) del diámetro especificado previamente, y luego se depositaban

El chapodo es la labor de eliminación de la planta “ma-

en las canastas cosecheras de uso en el fundo. El intervalo

dre” para dar paso a los hijuelos, que ya deben estar pre-

de cosecha fue de 3 días y la duración total de la cosecha en

sentes. Esta labor se realizó a machete, dejando al mo-

soca fue de 68 días.

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LARCO, Victoria. “Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad (Perú)”

Evaluaciones

(1) Promedios unidos por una misma letra son estadísticamente iguales

Evaluación de la cosecha: Se evaluaron todos los capítulos producidos durante el periodo total de cosecha considerando para ello sólo los dos surcos centrales de cada unidad experimental.

2. Peso de capítulos aprovechables: El análisis de varianza de la variable peso total de capítulos aprovechables mostró diferencia estadística para la fuente

Características evaluadas:

de variación tratamientos.

1. Rendimiento en peso

Realizadas las pruebas de significación de Rango múlti-

Se pesaron todos los capítulos producidos en cada unidad experimental, empleando una balanza de 5 Kg. de capacidad y 10 g de precisión. Se expresó en kilogramos por hectárea de: capítulos totales, capítulos aprovechables (es decir sin descarte) y capítulos según calidades.

ple de Duncan con un α = 0.05 para la variable peso total de capítulos aprovechables nuevamente presentan dos tratamientos estadísticamente superiores al tratamiento testigo, sin diferencias estadísticas entre sí: t3 (90 N) con 2960.91 kg.ha-1 y t4 (120 N) con 2861.07 kg.ha-1.

La clasificación por calidades de todos los capítulos procedentes de cada unidad experimental se basó en las normas de calidad de la Empresa Sociedad Agrícola Virú S.A. (S.A.V.S.A.).

RESULTADOS Rendimiento en peso durante el periodo total de cosecha: 76

1. Peso total de capítulos:

Figura Nº 2. Promedios de peso total de capítulos aprovechables (kg.ha-1) en alcachofa soca bajo dosis crecientes de nitrógeno.

Fundo El Golf, 2007

El análisis de varianza del variable peso del total de capítulos cosechados mostró diferencia estadística para la fuente de variación tratamientos. Realizadas las pruebas de significación de Rango Múltiple de Duncan con un α = 0.05 para la variable peso total de capítulos, se presentan dos tratamientos estadísticamente superiores frente al tratamiento testigo, sin diferencias estadísticas entre sí: el t3 (90 N) con 3139.8 kg.ha-1 y el t4 (120 N) con 3005.9 kg.ha-1

(1) Promedios unidos por una misma letra son estadísticamente iguales.

3. Peso de capítulos de primera: El análisis de varianza del variable peso del total de capítulos de primera mostró diferencia estadística para la fuente de variación tratamientos.

Las pruebas de significación de Rango múltiple de Duncan con un α = 0.05 para esta variable nuevamente presenta a los tratamientos citados anteriormente como estadísticamente superiores al tratamiento testigo: (90 N) 2595.1 kg.ha-1 y (120 N) 2484.3 kg.ha-1.

(1) Promedios unidos por una misma letra son estadísticamente iguale

Figura 1. Promedios de peso total de capítulos (kg.ha-1) en alcachofa soca bajo dosis crecientes de nitrógeno. Fundo El Golf, 2007.

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

LARCO, Victoria. “Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad (Perú)”

calidad primera, favoreciendo una buena formación de éstos (compactación y peso).

La duración de la cosecha está influenciada por condiciones favorables de manejo y clima y puede llegar a 3 meses; en este caso tuvo una duración de 68 días. El aumento del porcentaje de calidad segunda y descarte están influenciados por el clima y la senescencia de la planta, más que por una fertilización inadecuada. Es así que, debido a temperaturas altas o estrés hídrico durante la cosecha trae como Figura Nº 3. Promedios de peso total de capítulos de calidad primera

consecuencia la aparición de ombligo o fofo en los capítu-

(kg.ha-1) en alcachofa soca bajo dosis crecientes de nitrógeno.

los (calidad segunda) o de un incremento del porcentaje de

Fundo El Golf, 2007

violáceo (descarte).

4. Peso de capítulos de segunda:

Los rendimientos por hectárea obtenidos estuvieron dentro del promedio en soca de otras zonas de producción de

El análisis de varianza del variable peso del total de capí-

la misma empresa, como Barranca y Santa, donde se ob-

tulos de segunda no muestra diferencia estadística para

tuvieron entre 2 000 a 3000 kg.ha-1. El Fundo donde se

la fuente de variación tratamientos.

realizó el trabajo, presentó una de las mejores en producciones en esa campaña, a pesar que fue menor a la de años

Asimismo las pruebas de significación de Rango múltiple

anteriores.

de Duncan con un α = 0.05 para esta variable tampoco presenta diferencias estadísticas entre tratamientos.

5. Peso de capítulos de descarte:

CONCLUSIONES Durante el periodo total de cosecha, los mayores rendimientos se obtuvieron con los tratamientos 90N y 120N, siendo éstos

El análisis de varianza del variable peso del total de capí-

3139.8 kg.ha-1 y 3005.9 kg.ha-1 respectivamente, sin diferen-

tulos de descarte no muestra diferencia estadística para

cias estadísticas entre sí.

la fuente de variación tratamientos. De la misma forma las pruebas de significación de Rango múltiple de Dun-

El mayor rendimiento de materia prima aprovechable, es de-

can con un α = 0.05 para esta variable tampoco presenta

cir sin descarte, durante la totalidad de cosecha se presentó

diferencias estadísticas.

en los tratamientos 90N y 120N con 2960.91 kg.ha-1 y 2861.07 kg.ha-1. respectivamente, sin diferencias estadísticas entre sí.

Se puede apreciar en los cuadros mostrados que, los tratamientos 3 y 4 con 90 N y 120N, fueron los más indica-

En el rendimiento por calidades durante el periodo total de

dos para obtener los más altos rendimientos, los cuales

cosecha, sólo hubieron diferencias significativas en la Calidad

fueron 3139.8 kg.ha-1 y 3005.9 kg.ha-1, respectivamente.

Primera, los tratamientos que obtuvieron mayores rendimientos en esta calidad fueron: 90 N con 2595.1 kg.ha-1 y 120 N con

Cabe señalar que tanto el nitrógeno como el potasio son

2484.3 kg.ha-1., sin diferencias estadísticas entre sí.

nutrientes altamente extraídos por los cultivos, por lo cual su aporte balanceado es el preámbulo de plantas vi-

REFERENCIAS

gorosas y de alta producción. La fertilización realizada en la etapa transplante y la de soca, permitirá una oportuna

[1]

traslocación y almacenamiento de proteínas y carbohi-

Arredondo, S. 2007. Demanda de Alcachofa. Recuperado de:

dratos en el área radicular como lo afirma Wild (1992), para que posteriormente puedan ser empleados en la

http://www.monografias.com/trabajos58/demanda-al-

emisión continua de capítulos.

cachofa/demanda-alcachofa2.shtml---MONOGRAFIA

El uso de dosis altas de nitrógeno: 90 y 120 unidades

[2]

Donato, P.; Evaristo, M. y Pessoa, M. 1993. Nutrición y

junto con las 50 de potasio, se reflejan en el mayor ren-

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dimiento de materia prima aprovechable y capítulos de

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[4]

Maroto, J., 1995. El Cultivo de la Alcachofa. Valencia, España. Instituto Valenciano de Investigaciones Agrarias.

[5]

Ramírez, R. 2008. Experiencias personales sobre el manejo agronómico del cultivo de alcachofa. Sociedad Agrícola Virú S.A. Virú, Perú.

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Villegas, O. 2007. Experiencias personales sobre el manejo agronómico del cultivo de alcachofa. Sociedad Agrícola Virú S.A. Virú, Perú. (Comunicación personal).

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Wild, A. ,1992. Condiciones del suelo y crecimiento de las plantas según Russell. (pp 32, 34, 88-94, 132). Madrid, España. Ediciones Mundi-Prensa.

ACERCA DE LA AUTORA Victoria Larco Aguilar. Ingeniera agrónoma egresada de la Universidad Nacional de Trujillo. Se ha desempeñado en el área de sanidad vegetal y producción de cultivos de agroexportación. Actualmente culmina una maestría en Manejo Integrado de Plagas en la Universidad Agraria La Molina y se

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desempeña como docente del Área de Tecnología Agrícola en Tecsup Trujillo.

Original recibido: 22 de marzo de 2012 Aceptado para publicación: 22 de mayo de 2012

Invest. Apl. Innov. 6(1), 2012

Lima: Av. Cascanueces 2221 Santa Anita.

Lima 43, Perú Publicación Semestral Tecsup se reserva todos los derechos legales de reproducción del contenido, sin embargo autoriza la reproducción total o parcial para fines didácticos, siempre y cuando se cite la fuente.

Editor en Jefe: Alberto Bejarano, Tecsup Comité editorial: Aurelio Arbildo, Inducontrol Guillermo Barcelli, 2E Ingenieros Jorge Bastante, Tecsup Elena Flores, Cementos Pacasmayo Hernán Montes, Utec Ricardo Ruiz, Tecsup Jack Vainstein, Vainstein Ingenieros

InstruccIones para los autores La revista Investigación aplicada e innovación, I+i, es publicada semestralmente. El objetivo de la revista es contribuir al desarrollo y difusión de investigación y tecnología, apoyando al sector productivo en la mejora de sus procesos, eficiencia de sus procedimientos e incorporando nuevas técnicas para fortalecer su competitividad. Las áreas principales de su cobertura temática son: Automatización industrial, Electrotecnia, Electrónica, Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC), Ensayo de materiales, Química y Metalurgia, Educación, Mantenimiento, Tecnología Agrícola, Tecnología de la Producción, Tecnología Mecánica Eléctrica, Gestión y Seguridad e Higiene Ocupacional.

Va dirigida a los profesionales de los sectores productivos y académicos en las áreas de la cobertura temática.

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Colaboradores: Adriana Barja Juan Carlos Heredia Victoria Larco José Lazarte María Teresa Mendoza Rodrigo Perea Mario Surco César Vera Hernán Zapata

• El trabajo debe ser original, inédito y en idioma español o inglés.

Corrector de estilo: Juan Manuel Chávez Diseño y diagramación: OT Marketing Publicitario Impresión: Tarea Asociación Gráfica Educativa Pasaje María Auxliadora 156 – 164 Lima 5, Perú

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2. estructura del artículo • Al comienzo del artículo se colocará el título de la investigación (en inglés y español), nombre y apellidos de los autores y su afiliación académica e institucional.

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– Fundamentos: Presentar los antecedentes que fundamentan el estudio (revisión bibliográfica); Describir el estudio de la investigación incluyendo premisas y limitaciones.

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3. seleccIón de artículos • El procedimiento de selección de artículos para ser publicados se realiza mediante un sistema de arbitraje que consiste en la entrega del texto anónimo a dos miembros del consejo editorial, especialistas en el tema. Si ambos recomiendan su publicación, se acepta su dictamen y se comunica al autor; si no coinciden, el dictamen de otro miembro será definitivo.

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Instituto de Educación Superior Tecnológico Privado TECSUP N° 1

RM: N° 153-84-ED (17/02/1984)

RD: N° 054-2005-ED (24/02/2005)

Volumen 6, N.o 1 Primer semestre, 2012 Lima, Perú

ISSN 1996-7551

Editorial ................................................................................................................................................................................................

3

Medición de Temperatura en Semiconductores de Potencia usando Herramientas de Visión por Computadora ....................................................................................................................... José Lazarte

5

Comparación entre Metodologías de Estimación de Parámetros del Generador Síncrono a través de respuesta en Frecuencia y Rechazo de Carga ............ María Teresa Mendoza

13

Actualización de los Criterios Técnicos de Conexión de Instalaciones Eólicas al SEIN ....

Alberto Ríos

21

Mitigación del Ataque “Hombre en el Medio” en las Redes Locales .................................................... ...................................................................................................................................................................................... Mario Surco

33

Influencia del Insumo de Calor para la Evaluación de Trincas en Juntas Soldadas de Acero API X80 a través del Ensayo Tekken......................................................................Rodrigo Perea

41

Análisis de Fallas y Defectos en Piezas de Acero ........................................ .Juan Carlos Heredia

51

Diseño e Implementación de un Sistema Electrónico de Control Modulante de Nivel en Calderos ...................................................................................................................................................................César Vera

61

Proceso Fenton para Tratamiento de Efluentes Coloreados .................................................................. .......................................................................................................................................Adriana Barja / Hernán Zapata

67

Efecto de Cuatro Dosis Nitrogenadas sobre el Rendimiento de Soca en Alcachofa sin Espinas (Cynara scolymus L.) var. Lorca en Moche, La Libertad ..................... Victoria Larco

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