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Análisis de fallas eléctricas en equipos electrónicos por defectos estructurales y corrosión atmosférica

Resumen: El rendimiento productivo de equipos y maquinas industriales es debido a la generación de fallas eléctricas, que se originan por la exposición a ambientes agresivos...
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Autor: Dr. Gustavo López Badilla; Dr. Arturo Gamitiea Dominguez
Resumen.
El rendimiento productivo de equipos y maquinas industriales es debido a la generación de fallas eléctricas, que se originan por la exposición a ambientes agresivos. Esto ocurre por dos factores principalmente, siendo el primero por variaciones drásticas de humedad y temperatura y a la exposición de agentes de contaminación, como lo son los el acido sulfúrico (H2S), sulfuros (SOX), óxidos de nitrógeno (NOX) en climas áridos y los mismos contaminantes aunado a los cloruros (Cl -) en zonas marinas, de interiores de plantas industriales. El segundo aspecto es la manera en que están diseñadas las conexiones, conectores y estructura de los dispositivos electrónicos escala macro, mico y nano,, que permiten la acumulación de agua en zonas no deseas, generando zonas anódicas y catódicas que inician el proceso de la corrosión. Los diversos tipos de corrosión más comunes en los equipos electrónicos por fallas por corrosión atmosférica y de diseño estructura son la galvánica, hendiduras y picaduras. Esta investigación se lleva a cabo para conocer el comportamiento de la humedad relativa y temperatura, niveles de concentración de contaminantes del aire y porcentaje de fallas eléctricas de equipos electrónicos de dos empresas de la ciudad de Ensenada, Baja California, ubicada en el noroeste de la Republica Mexicana. En base al análisis de los factores climáticos y ambientales, se evalúan otros aspectos como lo el diseño de estructuras de dispositivos electrónicos, para mejorar su geometría estructural. Con estas medidas de precaución se disminuirán o evitaran la presencia de corrosión en los principales metales utilizados en equipos electrónicos instalados en interiores de empresas, como lo son el cobre, estaño y plata.

Introducción
1. Diseño estructural de ingeniería en equipos electrónicos.
Uno de los factores de gran interés en el control de la corrosión en metales expuestos a interiores de edificaciones es el desarrollo de un diseño que evite la acumulación de humedad en esquinas y uniones principalmente. Este aspecto de importancia en conjunto con la selección de materiales, uso de recubrimientos e inhibidores y la protección catódica, disminuyen o evitan en ciertos equipos electrónicos y electromecánicos, la generación e incremento de los niveles de corrosión (Figura 1).



Los especialistas de corrosión y materiales de cualquier área de manufactura, utilizan sistemas de planeación y programación para obtener el diseño mas optimo que mejore las características de los equipos. Existen diversos programas computacionales que describen las estructuras, conectores y conexiones, donde existe la posibilidad de la generación y promoción de la corrosión. De los llamados CAD (Computer Arded Design) en dos y tres dimensiones, que existen en gran diversidad tanto en sistemas operativos de Windows y Unix, se mencionan algunos programas de cómputo gráficos para diseño de estructuras como lo son el Autocad, SolidWorks y Mastercam. Los niveles de memoria para el uso de estos desarrolladores de imágenes y animaciones, son aproximadamente mayores a los 50 Megabits y en ocasiones es un poco difícil tener accesos a estos sistemas de programación. Otro aspecto que se debe considerar es la necesidad de tener una licencia de usuario en algunos de ellos, para evitar alguna situación ilegal. Un programa de este tipo es el Geogebra 3.2, con una memoria menor a los 15 Megabits y libre difusión como principales teniendo ventajas con respecto a los otros sistemas de diseño y con desventajas de bajo nivel de importancia. Una situación que se puede considerar es que este programa es que puede ser obtenido de una forma más sencilla que los otros sistemas de cómputo y sin la necesidad de requerir de algún curso de capacitación por ser de manejo muy amigable. Este análisis de investigación del uso del Geogebra 3.2 para diseño de nuevas estructuras de equipos electrónicos y electromecánicos, se lleva a cabo para desarrollar nuevas estructuras en las conexiones, conectores y uniones. Esta evaluación se aplica principalmente a partes automotrices como lo es la bomba del agua y estructuras de amortiguamiento, donde se presentan índices de corrosión que pueden generar perdidas económicas de vidas humanas por el peligro que ocasionan.

2. Monitoreo de sulfatos por medio de la técnica de platos de sulfatación.
La concentración de sulfatos colectados en los platos de sulfatación usados en el proceso experimental, se analizó para obtener los niveles de SO2 en interiores de plantas industriales, y con ello poder conocer con mayor exactitud su concentración y efecto en uniones y conexiones metálicas de equipos electrónicos. Los sulfatos fueron precipitados con cloruro de bario y se analizó su contenido utilizando un espectrofotómetro Lambda 25 UV-VIS. Se instalaron cinco platos en la empresa Accuride Int., en diferentes áreas de almacén, producción y zona de embarques y un testigo en calidad de blanco en las oficinas administrativas, aislándolo del ambiente con plástico. Los datos obtenidos de los platos colocados para monitorear el interior de las plantas industriales durante periodos de 28, 29 y 30 días, se compararon con las concentraciones medidas y registradas por las EMA ubicadas en la ciudad de Mexicali (Tabla 1. Es importante señalar que en todos los casos donde se aplicó esta técnica, se reciben emisiones de sulfuros provenientes del campo geotérmico de Cerro Prieto y la EMA más cercana se encuentra a unos 10kms de distancia.



3. Prueba de la vela húmeda para detectar cloruros.
En la empresa TELEPLAN se instalaron cinco dispositivos en el interior de diferentes áreas: dos en el almacén de materiales, dos en la zona de procesos de manufactura y una en oficinas administrativas para ser utilizada como blanco de referencia. La prueba experimental se realizó en cuatro meses diferentes del 2006, obteniendo la concentración de cloruros en los interiores de la planta del ramo electrónico. La tabla 2 uestra los valores de concentración promedio mensual obtenida en las cuatro compañías de monitoreo de ion cloruro utilizando el método de la vela húmeda.



4. Factores climáticos vs. fallas eléctricas.
Los equipos industriales y máquinas se componen de dispositivos electrónicos colocados en placas de circuitos impresos, también llamado tableros electrónicos. La vida útil de los componentes esta en función del material que están fabricados, los ambientes a los que se exponen (exterior e interior de edificaciones), diseño estructural de ingeniería, tipo de instalación y su aplicación (Veleva et al, 2008). Los circuitos impresos electrónicos, están constituidos por una gran cantidad de dispositivos electrónicos y se instalan de acuerdo a las funciones que se lleva a cabo, con secciones separadas para evitar las conexiones eléctricas entre las zonas indeseables en las tarjetas electrónicas.



Hay una variedad de componentes electrónicos, que se clasifican según su tipo de la señal (analógica o digital), potencia (alta y baja), velocidad (alta y baja) y los tipos de onda (senoidal, triangular, cuadrado o lineal) en los equipos electrónicos (López et al, 2008). Se realiza un análisis de los factores climáticos y fallas eléctricas de los equipos electrónicos instalados en el interior de las plantas industriales como se muestra en la figura 2. Los índices de correlación obtenidos, nos muestran al interacción del SOX (técnica de platos de sulfatación) y Cl-, (método de la vela húmeda) la de contaminantes del aire con fallas eléctricas de equipos electrónicos (Tabla 1), indicando que existe en interiores de plantas industriales, estos contaminantes generan un ambiente agresivo y en conjunto con la humedad y temperatura, originan las fallas eléctricas. Este análisis se desarrollo por un periodo de tiempo de 1 mes en las dos empresas, instalando los platos de sulfatación y las probetas de la vela húmeda, con las cuales se obtuvieron los datos de contaminación, una vez elaborados las pruebas de análisis de procesos químicos para el SOX y con el ultravioleta para los Cl-. Una vez obtenidos los datos de contaminación ambiental, se realizo la correlación con la información de las fallas eléctricas proporcionadas por las empresas y con ello organizar en la tabla 1. Esto conlleva a la toma de precauciones que eviten la generación de corrosión y con ello las fallas eléctricas en los equipos y maquinas para obtener un mejor rendimiento operativo.



5. Conclusiones.
El diseño de una estructura adecuada en conexiones y conectores de dispositivos electrónicos, que conlleven a evitar la exposición a la contaminación ambiental al mínimo, mejora el rendimiento de los equipos y maquinas industriales. La corrosión se inicia en atmósferas de interiores influenciadas por condiciones climáticas de exteriores. El tiempo de humectación, que es el periodo en el cual una superficie permanece húmeda y se inicia el proceso de corrosión, obtenido con la humedad relativa (HR) y temperatura de la ciudad de Ensenada, muestra índices altos en algunos periodos de invierno y verano, siendo un factor importante para saber el tipo de corrosión que se presenta en los metales y los niveles en que se incrementa la velocidad de corrosión. En este proceso se forman celdas electroquímicas galvánicas de corrosión, como por ejemplo en la unión del platino y zinc (0.2 voltios), los cuales son capaces de originar una falla eléctrica. Para la obtención de ciclos del tiempo de humectación de los parámetros climáticos en esta ciudad, se consideraron valores de HR > 70% para cualquier época y se tomo en cuenta los niveles de temperatura en verano de exterior que influye en el ambiente de interiores, con la combinación con contaminantes del aire como sulfuros y cloruros, para observar el proceso de corrosión en los metales evaluados. El uso de sistemas de programaci0on matemáticos, como lo es le Geogebra 3.2, son de gran utilidad para el desarrollo de nuevas estructuras que no permitan el acumulamiento de agua en algunas zonas indeseadas en conexiones y conectores de dispositivos y equipos electrónicos de plantas industriales.
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