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Cables de acero parte 1 - Monografía



 
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Industriales. Elementos. Alambres. Torones. Almas. Aplicación. Seguridad



RESUMEN



El tema desarrollado en esta investigación es referente a los cables de acero.

El conflicto en los cables de acero se produce, donde el desgaste es severo, lo que ocurre generalmente en zonas donde se tiene mayor concentración de alambres cortados, donde los esfuerzos son desiguales en los cordones, donde los esfuerzos locales debido a la flexión del cable sobre las poleas son excesivos, cuando el cable esta empotrado al equipo en el cual se usa o cuando el alambre se corroe.

Para evitar lo antes descrito, debe tomarse en consideración las posibles consecuencias resultantes de la falla del cable especialmente cuando esta en juego la vida de personas, como por ejemplo, ascensores. También cuando se transportan cucharas con metal fundido.

Con el fin de evitar estos accidentes, es que se le realizan a los cables de acero, diversos ensayos para conocer con exactitud sus características.

Los alambres están fabricados por aceros estructurales, los cuales tienen como característica su bajo contenido de carbono


INTRODUCCIÓN



En nuestros tiempos cada segmento de nuestra moderna sociedad industrial depende de cables de alambre de acero, en alguna fase de su funcionamiento.

Hoy en día, el cable de acero es una necesidad, la cual ha sido desarrollada y elaborada con precisión

El uso del cable de acero es múltiple, ya que se puede encontrar trabajando como una piola de freno en diversos medios de transporte (bicicletas, automóviles, etc…), soportando el peso de personas en un ascensor o funicular, en des para pesca industrial y también se puede hallar trabajando en la maquinaria pesada de la minería, por lo que es importante saber que características debe cumplir el cable para cada trabajo al cual será sometido.

Es importante saber cual es el factor de seguridad para cada caso, sobre todo donde se ve involucrada la integridad física de personas

Finalmente, el cuidado y mantenimiento adecuado que se debe tener con el cable es preponderante para obtener una mayor vida útil, por lo tanto es importante saber cual es la forma más adecuada de manejo y cuales son los agentes que más lo dañan.


CABLES DE ACERO



El Cable de Acero es una máquina simple, que está compuesto de un conjunto de elementos que transmiten fuerzas, movimientos y energía entre dos puntos, de una manera predeterminada para lograr un fin deseado.

El conocimiento pleno del inherente potencial y uso de un Cable de Acero, es esencial para elegir el cable más adecuado para una faena o equipo, tomando en cuenta la gran cantidad de tipos de cables disponibles.

Cada cable de acero, con sus variables de diámetro, construcción, calidad de alambre, torcido, y su alma; se diseñan y fabrican cumpliendo las Normas Internacionales como:

- American Petroleum Institute (A.P.I. Standard 9A)
- American Federal Specification (RR-W-410D)
- American Society For Testing & Materials (A.S.T.M.)
- British Standards Institute (B.S.)
- Deutsches Normenausschuss (D.I.N.)
- International Organization for Standardization (I.S.O.)

El entendimiento completo de las características de un cable de acero es esencial e involucra un conocimiento profundo de las condiciones de trabajo, factores de carga y resistencias del cable, porque hay que tener presente que: “donde hay un cable de acero trabajando, hay vidas humanas en juego y que frecuentemente es usado como un fusible en los diferentes equipos”.

Para este efecto comenzaremos a describir un cable de acero, indicando el nombre de cada elemento que lo compone, con el fin de tener un vocabulario de acuerdo a lo que a continuación se menciona.

CABLE DE ACERO Y SUS ELEMENTOS



1.    Alambre:

Es el componente básico del cable de acero, el cual es fabricado en diversas calidades, según el uso al que se destine el cable final.

2.    Torón:

Está formado por un número de alambres de acuerdo a su construcción, que son enrollados helicoidalmente alrededor de un centro, en una o varias capas.

3.    Alma:

Es el eje central del cable donde se enrollan los torones. Esta alma puede ser de acero, fibras naturales o de polipropileno.

4.    Cable:

Es el producto final que está formado por varios torones, que son enrollados helicoidalmente alrededor de un alma.

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Diagrama de Producción del Cable de Acero



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ALAMBRES PARA CABLES DE ACERO



Los alambres para la producción de cables de acero se clasifican en: Tipos, Clases y Grados.

- Tipos



Según su recubrimiento y terminación serán de tres tipos:

- Tipo NB: Negro brillante.
- Tipo GT: Trefilados después de zincados.
- Tipo G : Zincados después de trefilados.

- Clases


Según la cantidad de zinc por unidad de superficie serán de dos clases:

- Clase A: Zincado grueso, (pesado).
- Clase Z: Zincado liviano.

- Grados



Según la calidad nominal del acero de sus alambres, definida por su resistencia nominal a la tracción, número de torsiones, doblados, adherencia del recubrimiento de zinc, uniformidad del recubrimiento de zinc y peso del recubrimiento de zinc se designaran por:

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- El grado 1 solo se usara con alambre sin zincar.
- Los grados del 2 a 5 se usaran con alambre con o sin zincado.
- Los grados del 6 al 8 se usaran solo con alambre zincado.
- Cuando el alambre sea zincado se agregara una G en la designación.
- Los grados 1, 2, 3, 4 se consideraran corrientes.
- La calidad de los grados 5, 6, 7, 8 pueden ser establecidas por convenio entre comprador y productor o vendedor, el intervalo de resistencia a la tracción será inferior o igual a 20 Kg/mm2.

- Designación de los alambres


Los alambres para cables de acero se designan por su diámetro nominal, grado del acero, luego entre paréntesis se anota el intervalo de resistencia a la tracción, el tipo y clase de terminación.

- Obtención de materiales



Los alambres para cables de acero se pueden obtener por el siguiente método:

Por trefilado en frío de aceros laminados en caliente. El acero utilizado debe cumplir requisitos tales como:

- Obtenerse por cualquier proceso básico, excepto el de convertidor Bessemer Thomas (aire o mezcla aire oxigeno).
- Tener un contenido de azufre inferior o igual a 0.050% y de fósforo inferior a 0.050%. En el caso que se requiera un alambre zincado, este deberá aplicarse electroliticamente o por inmersión en caliente, el zinc deberá tener un una pureza igual o superior a 98.5%.

Los alambres obtenidos mediante este método son almacenados en: rollos, bobinas o quesos. Los alambres que no han sido galvanizados son bañados en aceite para evitar su oxidación ya que esta influye en la resistencia a la tracción sobre todo en los alambres de menor diámetro. El resto de los alambres son almacenados sin ninguna clase de recubrimiento que los proteja.

En CHILE el fabricante de alambres es INCHALAM, el cual produce todas las clases de alambres que se utilizan en la fabricación de cables de acero, su planta está ubicada en Talcahuano.

A CHILE también llega alambre de distintos países como: JAPÓN, SUDÁFRICA, EE.UU., PERÚ y ARGENTINA.

- Formas, dimensiones y tolerancias



Los alambres para cables de acero son de sección circular, con un diámetro que varia de 0.19 hasta 5 mm (la variación del diámetro depende del fabricante).

Se les realiza una comprobación de su diámetro con dos dimensiones, a 90º una de otra, en la misma sección del alambre, las cuales deben quedar dentro de las tolerancias dadas en la tabla referente a los grados.

- Selección


El alambre para cable de acero se selecciona según el tipo de cable que se quiera fabricar, es así como se utiliza un alambre galvanizado para cables que trabajaran en ambientes húmedos. Depende también de la flexibilidad que se le quiera dar al cable, así como de la cantidad de alambres que llevara y del trato al cual será sometido este.

- Ensayos



Los alambres para cables de acero son sometidos a varios procesos de ensayo para comprobar su calidad, los ensayos a los que son sometidos son:

-  Ensayo de tracción.
-  Ensayo de torsión.
-  Ensayo de doblado.
-  Determinación de la adherencia del recubrimiento de zinc.
-  Ensayo de uniformidad del recubrimiento de zinc.
-  Determinación del peso del recubrimiento de zinc.


TORONES



Los Torones de un cable de acero, están formados por un determinado número de alambres enrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central y dispuestos en una o más capas. A cada número y disposición de los alambres se les llama CONSTRUCCION y que son fabricados generalmente según el concepto moderno, en una sola operación con todos los alambres torcidos en el mismo sentido, conjuntamente en una forma paralela. En esta manera se evitan cruces y roces de los alambres en las capas interiores, que debilitan el cable y reducen su vida útil y puede fallar sin previo aviso.

Las principales construcciones de los torones, se pueden clasificar en tres grupos:

- Grupo 7: Incluyen construcciones que tienen desde 3 a 14 alambres.
- Grupo 19: Incluyen construcciones que tienen desde 15 a 26 alambres.
- Grupo 37: Incluyen construcciones que tienen desde 27 a 49 alambres.

El torón según el requerimiento del cable final, puede ser torcido a la derecha o a la izquierda.

ALMAS



El Alma es el eje central o núcleo de un cable, alrededor del cual van colocados los torones.

Su función es servir como base del cable, conservando su redondez, soportando la presión de los torones y manteniendo las distancias o espacios correctos entre ellos.

Hay dos tipos principales de Almas:

- Fibra (Naturales y Sintéticas)
- Acero (de Torón o lndependiente)


a)     Alma de Fibras Naturales


Estas pueden ser “Sisal” o “Manila”, que son fibras largas y duras. Existen también de “Yute”, “Cáñamo” o “Algodón”, pero no se recomiendan por ser blandas y se descomponen rápidamente, pero sí está permitido usar estas fibras como un relleno en ciertas aplicaciones y construcciones.

En general las Almas de Fibras Naturales se usan en cables de ingeniería (Ascensores y cables de izaje de minas), porque amortiguan las cargas y descargas por aceleraciones o frenadas bruscas.

Se recomienda no usar en ambientes húmedos y/o altas temperaturas (sobre 80ºC).

b)     Alma de Fibras Sintéticas


Se han probado varias fibras sintéticas, pero lo más satisfactorio hasta hoy día es el “Polipropileno”. Este material tiene características físicas muy similares a “Manila” o “Sisal”, y tiene una resistencia muy superior a la descomposición provocada por la salinidad. Su única desventaja es ser un material muy abrasivo entre sí, por lo tanto, tiende a perder su consistencia si está sujeto a muchos ciclos de operación sobre poleas con mucha tensión. Por esta razón un alma de “Polipropileno” no es recomendable en cables para uso en ascensores o piques de minas. Generalmente se usa en cables galvanizados para pesca y faenas marítimas, dando en estas actividades excelentes resultados.

No debe emplearse en ambientes de altas temperaturas.

c)     Alma de Acero de Torón


Un cable con un alma de Torón es un cable donde el alma está formada por un solo Torón, cuya construcción generalmente es la misma que los torones exteriores del cable. Principalmente, esta configuración corresponde a cables cuyo diámetro es inferior a 9.5 mm (3/8″).

d)     Alma de Acero Independiente



Esta es en realidad otro cable de acero en el núcleo o centro del cable y generalmente su construcción es de 7 torones con 7 alambres cada uno (7 x 7).

Un cable de acero con un Alma de Acero de Torón o Independiente, tiene una resistencia a la tracción y al aplastamiento superior a un cable con alma de fibra, pero tiene una menor elasticidad.

Se recomienda el uso de cables con Alma de Acero, donde hay altas temperaturas (superiores a 80ºC) como en hornos de fundición o donde existan altas presiones sobre el cable, como por ejemplo en los equipos de perforación petrolera, palas o dragas mecánicas.

e)     Alma de Acero Plastificada



Últimamente se ha desarrollado Alma de Acero Plastificada, cuya característica principal radica en eliminar el roce entre los alambres del alma con los alambres del torón del cable (su uso principal está en los cables compactados).

CABLES


Como se ha dicho, el cable es el producto final y se identifica por el número de torones y el número de 2 alambres de cada torón, su tipo de alma y si son negros o galvanizados.

- Grupos



Las principales grupos de cables son:

- Grupo 6×7 (con 3 a 14 alambres por torón)



Aunque hay varias alternativas en esta serie la mas común es donde cada uno de los seis torones que forman el cable, está construido de una sola hilera de alambres colocado alrededor de un alambre central. Debido a que el número de alambres (7) que forman el torón es reducido, nos encontramos con una construcción de cable armado por alambres gruesos que son muy resistentes a la abrasión, pero no recomendable para aplicaciones donde requiere flexibibilidad.

Diámetro mínimo de poleas y tambores. 42 veces el diámetro del cable.

- Grupo 6X19 (Con 15 a 26 Alambres por Torón)


Existen varias combinaciones y construcciones de cables en este grupo, los torones se construyen usando de 15 hasta 26 alambres, lo que facilita la selección del cable mas adecuado para un trabajo determinado.

Anteriormente, la construcción mas en uso en cables mayores a 8 mm. de diámetro era la construcción 6x 19 Filler (12/6F/6/1), conocido también como 6×25 por tener la ventaja de tener un nivel de resistencia a la abrasión y aplastamiento aceptable, pero también suficiente flexibilidad para trabajar en poleas o tambores que no tengan un diámetro muy reducido en relación al diámetro del cable.

La construcción 6 x 19 Filler está formada por seis torones de 25 alambres cada uno que están integrados por dos capas de alambres principales colocados alrededor de un alambre central, con el doble de alambres en la capa exterior (12) a los que tienen la capa interior (6). Entre estas dos capas se colocan 6 alambres más delgados, como relleno (Filler) para darle la posición adecuada a los alambres de la capa exterior.

Diámetro mínimo de poleas y tambores: 26 veces el diámetro del cable. Con el pasar del tiempo ha surgido otra construcción que está reemplazando el diseño anterior debido a que se ha demostrado que este nuevo diseño ofrece un mayor rendimiento y utilidad para los usuarios.

La construcción 6 x 26 está formada por seis torones con 26 alambres cada uno, que están integrados por tres capas de alambres colocados alrededor de un alambre central En la capa exterior hay 10 alambres la capa intermedia hay 5 alambres de un diámetro y 5 alambres de un diámetro interior puestos en una manera alternada y la capa interior también tiene 5 alambres puestos sobre un alambre central.

Aunque esta construcción tiene una flexibilidad un poco menor que la construcción antigua (6 x 25), la construcción 6 x 26 tiene una sección de acero mas sólida y alambres exteriores mas gruesos, por lo tanto, tiene una mayor resistencia a la compresión y a la abrasión.

Diámetro mínimo de poleas y tambores. 30 veces el diámetro del cable. En este grupo hay una tercera construcción que tiene un alto volumen de consumo en trabajos bien definidos y ésta se llama 6×19 Seale.

Esta construcción está formada por 6 torones de 19 alambres cada uno, que están integrados por dos capas de alambres del mismo número (9), colocados alrededor de un alambre central. En este caso, los alambres de la capa exterior son mas gruesos que los alambres de la hilera interno, con el objeto de darle una mayor resistencia a la abrasión, pero su flexibilidad es menor que los 6 x 26, aunque no son tan rígidos como la construcción 6 x 7.

Diámetro mínimo de poleas y tambores. 34 veces el diámetro del cable.

- Grupo 6 x 37 (Con 27 a 49 Alambres por Torón)


Las construcciones de este equipo son más flexibles que las de los grupos 6 x 7 y 6 x 19, debido a que tienen un mayor número de alambres por torón. Este tipo de cables se utiliza cuando se requiere mucha flexibilidad. No se recomiendan cuando son sometidos a una abrasión severa, porque el diámetro de sus alambres externos es pequeño.

En este grupo la construcción 6 x 37 es generalmente encontrada en cables con diámetros menores a 9 mm. En diámetros superiores a 8 mm los cables son fabricados con el concepto moderno con todos los alambres torcidos conjuntamente en una forma paralela en cada torón, evitando roce interno y logrando una mayor útil.

Como existen varias construcciones en este grupo, se presentan las de mayor uso y sus rangos de diámetros para obtener el óptimo rendimiento.

Diámetro mínimo de poleas y tambores. 23 veces el diámetro del cable.

- Grupo 8 x 19


Además de los grupos antes señalados, es conveniente mencionar las series 8 x 19 que están fabricado con 8 torones alrededor de un alma (generalmente de fibra). Al utilizar 8 torones en vez de 6, hace que el cable sea mas flexible, pero debido a que este tipo de cable tiene un alma mas grande que los cables de 6 torones, lo hace menos resistente al aplastamiento.

Existen construcciones en esta serie tanto con almas de fibra, almas de acero y almas de acero plastificadas para usos bien especificados sobre los cuales hay antecedentes mas adelante.

- Torcido de los Cables



Los cables generalmente se fabrican en torcido REGULAR y torcido LANG, en los cables con torcido REGULAR, los alambres del torón están torcidos en dirección opuesta a la dirección de los torones en el cable. Los alambres y los torones en un cable torcido LANG están torcidos en la misma dirección de los torones en el cable.

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Los cables con torcido LANG, son ligeramente más flexibles y muy resistentes a la abrasión y fatiga, pero tienen el inconveniente de tener tendencia a destorcerse por lo que únicamente deberán utilizarse en aquellas aplicaciones en que ambos extremos del cable estén fijos y no le permitan girar sobre sí mismos.

Los cables con torcido REGULAR son más fáciles de manejar, son menos susceptibles a la formación de “cocas” y son más resistentes al aplastamiento y destorsión. Presentan menos tendencia a destorcerse al aplicarles cargas aunque no tengan fijos ambos extremos.

Los cables pueden fabricarse en TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO, tanto en el torcido REGULAR como en el LANG. En la mayoría de los casos, no afecta el que se use un cable con TORCIDO DERECHO o IZQUIERDO. Los cables con TORCIDO DERECHO se conocen como los de “fabricación normal”, por lo tanto, son los que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, existen aplicaciones en que los cables con TORCIDO IZQUIERDO proporcionan ciertas ventajas, como en el caso de las máquinas perforadoras de percusión, al tender a apretar las roscas de los aparejos.

También existen otros tipos de torcidos conocidos como el torcido Alternado o HERRINGBONE que consiste en alternar torones regulares y lang. Estos tipos de cables tiene muy pocas aplicaciones.

- Preformado



El concepto de Preformado significa que tanto los alambres individuales como los torones tienen la forma helicoidal exacta que llevarán en el cable terminado. Las principales ventajas del Preformado son mayor flexibilidad, facilidad de manejo, superior resistencia a las “cocas” y distribución uniforme de la carga entre todos los alambres y torones.

En los cables no Preformados, los torones son mantenidos en su sitio a la fuerza, por lo que están sujetos a grandes tensiones internas. En un cable Preformado los alambres y torones están en reposo, dado que su forma definitiva le fue aplicada durante el proceso de fabricación.

La eliminación de esfuerzos internos en el cable preformado garantiza una mayor vida útil. Por las razones mencionadas, se fabrican según las normas de los cables en estado preformado.

- Cables Compactados



Los cables de Acero con torones Compactados (Palex, Izaflex, Toroplex, Toropac, Barracuda, etc.), son un nuevo tipo de cable de acero para determinadas aplicaciones y de características diferentes a las tradicionales.

Los torones son compactados durante el proceso de torcido, obteniendo con ello una mayor área metálica y por lo tanto una mayor resistencia a la rotura, para un mismo diámetro nominal; una mayor superficie de contacto de los alambres exteriores con las poleas, tambores, etc,. dando una mayor resistencia a la abrasión, por lo tanto, menor desgaste de las poleas, tambores, etc.
También ofrece una mayor resistencia al aplastamiento y disminuyendo de vibraciones internas, su alma puede ser de acero, acero plastificada o fibra.

SELECCIÓN DEL CABLE  APROPIADO



La clave del problema de la selección del cable más indicado para cada trabajo está en equilibrar correctamente los siguientes factores principales:

1.     Carga de rotura (Resistencia)
2.     Resistencia a las Flexiones y Vibraciones (FATIGA)
3.     Resistencia a la Abrasión
4.     Resistencia al Aplastamiento
5.     Resistencia de Reserva
6.     Exposición a la corrosión

Muy pocas veces es posible seleccionar un cable que cumpla al máximo con los requerimientos de resistencia a la Abrasión y Aplastamiento, y posea también la máxima resistencia a la Fatiga. En general, se debe privilegiar las características más sensibles a la operación que se deba realizar a cambio de una disminución relativa en aquellas características menos relevantes para el fin predeterminado.


- RESISTENCIA



Carga de Rotura



El primer paso consiste en determinar la máxima carga que el cable deberá soportar, teniendo en cuenta no sólo la carga estática, sino también las cargas causadas por arranques y paradas repentinas, cargas de impacto, altas velocidades, fricción en poleas, etc. Por razones de seguridad se recomienda normalmente multiplicar, la carga de trabajo por un factor, indicado en la tabla de factor de seguridad.

- FATIGA



Resistencia a las Flexiones y Vibraciones



Si un trozo de alambre se dobla varias veces, eventualmente se romperá; esto es debido al fenómeno llamado “Fatiga de Flexión”. Este mismo fenómeno tiene lugar siempre que un cable de acero se dobla alrededor de poleas, tambores o rodillos. A menor radio de curvatura mayor es la acción de la fatiga. Los aumentos de la velocidad de operación y las flexiones en sentidos contrarios también aumentan este efecto. El mismo fenómeno es producido por vibraciones en cualquier parte del  cable.

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La fatiga se reduce si las poleas o tambores tienen al menos los diámetros mínimos aceptables para cada tipo de cable.


- ABRASION



La abrasión es quizás el enemigo más común y destructivo del cable de acero. Se produce siempre que el cable roza o es arrastrado contra cualquier material. Este roce debilita el cable al producir desgaste en los alambres exteriores.

Como en el caso de la fatiga, el mejor remedio para el desgaste excesivo es utilizar la construcción más apropiada. Como regla general, a menor número de alambres y mayor diámetro de ellos, mayor es la resistencia al desgaste abrasivo.

No siempre es necesario cambiar el tipo de cable utilizado pues muchos casos de desgaste anormal son producidos por defectos en el equipo. Por ejemplo, poleas mal alineadas o desgastadas, o enrollado incorrecto y otras condiciones irregulares que describiremos al tratar sobre el uso del cable.

- APLASTAMIENTO



El cable puede ser Aplastado por fuerzas exteriores en algunas ocasiones, pero lo más común es el Aplastamiento debido a la operación con cargas excesivas y también al uso de tambores lisos o con ranuras que no den el apoyo suficiente al cable. También, el Aplastamiento es frecuente en los casos de enrollado en varias capas, en los puntos en que el cable se apoya sobre sí mismo.

Si la carga no puede ser disminuida o los tambores no pueden ser sustituidos por piezas más apropiadas para estas condiciones, debe recurrirse a cambiar el cable por uno de construcción más adecuada para resistir los efectos del aplastamiento.

Si se está usando un cable con alma de fibra debe ser sustituido por uno con alma de acero, ya que ésta da mayor soporte a los torones e impide su deformación. Los cables de torcido REGULAR, son también más resistentes al aplastamiento que los de torcido LANG.

- RESISTENCIA DE RESERVA


La Resistencia de Reserva de un cable equivale a la resistencia combinada de todos sus alambres, excepto aquellos de las capas exteriores de los torones. A mayor número de alambres mayor es la Resistencia de Reserva, ya que al disminuir el diámetro de los alambres exteriores, mayor sección metálica estará concentrada en las capas internas del torón.

La Resistencia de Reserva tiene mayor importancia en los casos en que la rotura de un cable puede ocasionar accidentes de importancia. En estos casos es recomendable la inspección frecuente por técnicos competentes y una selección del cable que se base fundamentalmente en este factor.

La tabla indica el porcentaje de Resistencia de Reserva en cables de 6 u 8 torones, relativas a la cantidad de alambres exteriores en cada torón.

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