Una introducción a la estructura del chorro de agua

Por el Dr. David A. Summers, Profesor Emérito de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri

KMT Waterjet Systems - Blog semanal

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Una vez que el chorro de agua comienza a moverse fuera de la boquilla con una velocidad importante, mientras empieza a generarse la presión de bomba, se vuelve cada vez más dificultoso mirar la corriente de agua y darse una idea real de su estructura. Principalmente lo que se ve es la muy fina niebla que rodea el cuerpo principal del chorro, y si bien se puede obtener una idea de la estructura al hacer cortes a través de material, puede ser bastante caro para ver realmente dentro de esa estructura. Una parte del problema es que, a pesar de que la niebla es muy fina, se está moviendo a velocidades en el rango de unos dos mil pies por segundo. El globo ocular humano no es tan rápido. Pero podemos utilizar un flash de muy alta velocidad (en este caso se trataba de dos millonésimas de segundo), que tiene el efecto de “congelar” el movimiento.

Chorro de 40.000 psi

Figura 1: Chorro de 40.000 psi saliendo de un orificio de 0,005 pulgadas de diámetro, iluminado de frente.

Sin embargo, esta niebla sigue ocultando la estructura interna sólida del chorro y no cambia mucho en la estructura relativa, incluso cuando las condiciones internas del chorro puedan ser muy diferentes. Fundamentalmente la estructura interna fue descrita por Yanaida en la Conferencia sobre Chorro de Agua del Grupo BHR en 1974, y su descripción ha sido validada por muchos estudios desde entonces.

El patrón de ruptura de un chorro de agua

Figura 2: El patrón de ruptura de un chorro de agua (Yanaida K. “Características de flujo de los chorros de agua,” 2º Conf de la BHRA, 1974, artículo A2.)

Esta estructura se mantiene para chorros a través de una amplia gama de volúmenes de presión y flujo, pero es difícil determinar convencionalmente los puntos de transición exactos de esa estructura. Y esto puede conducir a resultados muy desafortunados. He visto dos veces gente que retira una boquilla y luego mueve su mano frente al chorro para mostrar que incluso los chorros de alta presión (éstos estaban siendo utilizados para cortar productos de papel y no tenían abrasivo en ese momento) podrían ser “seguros”. En ambos casos los individuos tuvieron mucha suerte de no lesionarse (el agua puede penetrar en los poros de la piel y lacerar las partes internas sin signos superficiales de lesión, y, como demostré la última vez, si la boquilla está demasiado cerca, cortará carne y hueso). Pensé aprovechar la publicación de hoy para mostrar, usando fotografías, por qué esto era un acto realmente estúpido.

Las fotos que siguen fueron tomadas en Baxter Springs, Kansas, que ha sido reconocido como el lugar donde nació el corte por chorro de agua.

Baxter Springs, Kansas. Lugar de nacimiento del corte por chorro de agua

Figura 3: Baxter Springs, Kansas. Lugar de nacimiento del corte por chorro de agua.

A comienzos de la década de 1970 usamos lo que luego fue un amplificador de chorro de agua de McCartney Manufacturing (hoy KMT Waterjet Systems) para disparar chorros de presión y diámetro de boquilla variables a lo largo de la trayectoria, de manera que podíamos ver cuán coherentes eran los chorros. Tal como he mencionado anteriormente, el problema de mirar directamente al chorro es que la estructura interna es ocultada por la niebla circundante. Para superar esa parte del problema proyectamos la luz a lo largo de una pantalla de vidrio esmerilado (para difundirla) que se colocó detrás del chorro, a fin de poder ver el contorno de la estructura interna.

Montaje para tomar fotos de un chorro de alta velocidad

Figura 4: Montaje para tomar fotos de un chorro de alta velocidad.

Esto muestra la niebla inferior en la fotografía para una mejor idea de la estructura interna del chorro. La cual puede ser medida al final de la sección maciza.

Chorro retroiluminado a 30.000 psi saliendo de una boquilla de 0,01 pulgadas de diámetro

Figura 5: Chorro retroiluminado a 30.000 psi saliendo de una boquilla de 0,01 pulgadas de diámetro, la distancia a través de la fotografía es de 6 pulgadas.

La ventaja de la técnica es tal vez más evidente cuando se comparan boquillas a diferentes presiones y diámetros y de diferente composición química. Consideremos primero el cambio con un incremento del diámetro del chorro. Si tenemos en cuenta la vista con iluminación frontal, hay poca diferencia en los chorros. Si observamos con retroiluminación, queda claro que el chorro de menor diámetro sólo atraviesa 3 pulgadas la pantalla, mientras que el chorro más grande apenas llega al extremo del rango.

El efecto sobre el rango del chorro de duplicar el diámetro del orificio a la misma presión de chorro

Figura 6: El efecto sobre el rango del chorro de duplicar el diámetro del orificio a la misma presión de chorro, la longitud de la foto es de 6 pulgadas.

Una de las partes del estudio que estábamos llevando a cabo en el año 1974 era examinar el efecto que la adición de diferentes polímeros de cadena larga tenía sobre la estructura del chorro. Algunos de los que estábamos examinando ahora se utilizan en la industria del petróleo y del gas natural para hacer el “agua resbaladiza” que se utiliza en la industria del fracking para mejorar la producción de los yacimientos de esquisto. Pero también tiene una ventaja en cuanto a “unir” el chorro. Así fue como en el estudio el Dr. Jack Zakin y yo probamos con una amplia variedad de polímeros diferentes para ver cuál producía el mejor chorro.

Estábamos buscando una serie de cosas distintas. En el corte de papel, tejido blando y material sensible al agua, por ejemplo, el polímero puede unir el agua lo suficientemente bien como para promover la humectación inferior hasta el punto en el que no tiene efecto. También puede mejorar el corte por chorro bajo el agua, pero voy a ocuparme de esto en algunas publicaciones sobre los efectos de los polímeros que aparecerán más adelante en la serie.

El efecto de un polímero (en este caso un AP273) se muestra en dos ensayos en los que el único cambio fue añadir el polímero al agua en la imagen que aparece más abajo.

Chorros con un diámetro de orificio de 0,01 pulgadas a una presión de 20.000 psi

Figura 7: Chorros con un diámetro de orificio de 0,01 pulgadas a una presión de 20.000 psi, el rango es de 6 pulgadas, y en el caso del chorro de más abajo se añadió al agua el polímero AP273.

La corriente más estrecha en el marco de más abajo es el efecto que buscábamos. Juntar, por ejemplo, el cambio de diámetro y los mejores polímeros dio como resultado lo siguiente:

El efecto sobre la cohesión del chorro de cambiar la presión de chorro, el diámetro de boquilla y el contenido de polímero

Figura 8: El efecto sobre la cohesión del chorro de cambiar la presión de chorro, el diámetro de boquilla y el contenido de polímero.

Cabe señalar que el chorro en el marco inferior tiene tanta concentración relativa (y potencia) en el extremo del rango como la que tenía el chorro superior al comienzo del rango.

Ahora todo depende de lo que usted quiera que haga el chorro, y de qué condición desea lograr. Dentro de las cámaras de mezcla de abrasivos el objeto es muy diferente de lo que es cuando el objeto es cortar un pie o más de espuma con bordes de alta calidad. Y ha habido algunos desarrollos interesantes con diferentes polímeros en los últimos años, pero voy a reservarme esas historias para otro día.

Pero tenga en cuenta que aquellos que hubiesen deslizado sus dedos bajo el chorro del marco superior de la figura 8 los tendrían todos cortados si el chorro hubiese estado fluyendo en las condiciones de los dos marcos inferiores, y en los tres casos los chorros no se diferencian a simple vista.

Cortando Madera Contrachapada y Cerdo, y seguridad del chorro de agua

Por el Dr. David A. Summers, Profesor Emérito de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri

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En las últimas dos publicaciones he intentado mostrar que conviene realizar una prueba de calibración periódica en el equipo para asegurarse de que se está obteniendo el máximo rendimiento. Esto no significa que la boquilla necesite ser probada todos los días; sin embargo, algunas de las boquillas más baratas para lavadoras a presión, por ejemplo, se desgastarán en menos de una hora. Con el tiempo, un operario aprenderá cuánto tiempo dura una boquilla y podrá decir cuándo está empezando a perder rendimiento. Pero cuando se trabaja en una serie de diferentes tareas consecutivas puede perderse esa noción del rendimiento y puede ser útil tener un objetivo estándar al que pueda apuntar el chorro y que este sea capaz de cortarlo en un tiempo conocido.

Un objetivo simple es la madera contrachapada y, para continuar con la serie de comparaciones entre boquillas a través de un enfoque ligeramente diferente, Mike Woodward utilizó hojas de madera contrachapada a fin de comparar diferentes boquillas en una de las primeras comparaciones de rendimiento. Nosotros reprodujimos su equipo de ensayo y realizamos ensayos con una selección más moderna de boquillas pero los resultados y las conclusiones básicas no han cambiado.

En su forma más simple, la idea es construir un marco de soporte que pueda sostener pequeños cuadrados de madera contrachapada a distancias fijas de la boquilla. En el marco que se muestra más abajo, las piezas de madera contrachapada están dispuestas a distancias de un pie de separación, con la boquilla en un punto fijo en el extremo del marco de ensayo. Los ensayos mostraron que se necesitan aproximadamente 2700 psi para cortar de lado a lado la madera contrachapada.

Un marco simple para sostener muestras de madera contrachapada

Figura 1: Un marco simple para sostener muestras de madera contrachapada

Los ensayos iniciales que realizó el Dr. Woodward fueron hechos con boquillas que trabajaban a 10.000 psi con un caudal nominal de 10 gpm. Las boquillas que se usaron estaban en un rango de precios que iba de 10,00 dólares a 250 dólares cada una. (Y estos precios fueron informados en 1985 en la 3º Conferencia Americana de Chorro de Agua). Los ensayos de este tipo son sencillos de realizar. Las piezas de madera contrachapada son colocadas en el marco, la boquilla es ubicada en el extremo del marco y el chorro trabaja durante diez segundos. Durante ese tiempo, el chorro cortará de lado a lado cualquiera de las piezas de madera contrachapada a la que llegue con la potencia suficiente para cortar de lado a lado, y en general, el chorro perforará un agujero a través de varias piezas.

diferentes diseños de boquillas

Figura 2: Los diferentes diseños de boquillas que Mike Woodward probó en 1985.

Los perfiles muestran que sólo una de las boquillas comunes se ajustaba suavemente en el extremo del tubo de alimentación. En los otros casos, hay un pequeño espacio entre la pieza de boquilla y el tubo de alimentación, de modo que se generaría turbulencia justo cuando el agua ingresa en la sección de aceleración de la boquilla.

A continuación se midió el tamaño del agujero en cada placa, y ese ancho se representó gráficamente como función de la distancia desde la boquilla, de manera que se pudiera dibujar un perfil de la trayectoria de corte del chorro.

Perfiles cortados en las diferentes piezas de madera

Figura 3: Perfiles cortados en las diferentes piezas de madera mostrando la potencia de corte de diferentes chorros como función de la distancia y la cantidad real de flujo de agua medido.

Como parte adicional del ensayo, se hizo una medición aproximada de la vida útil de la boquilla. Pueden incluirse en una tabla algunos otros parámetros de rendimiento para las diferentes boquillas.

Rendimiento de las diferentes boquillas

Figura 4: Rendimiento de las diferentes boquillas.

Está claro que salir y comprar la boquilla más cara de la cuadra no es siempre la mejor idea. Pero depende también del uso que se vaya a dar a la boquilla. Hay dos aplicaciones diferentes: limpieza de una superficie y corte. El trayecto más extenso alcanzado por la boquilla 1, por ejemplo, que también eliminó el mayor volumen de madera por caballo de fuerza, hace que sea una buena elección si se necesita limpiar y para llegar más lejos de la boquilla, como se precisaría si se estuviera limpiando el haz de tubos de un intercambiador de calor.

Por otra parte, el flujo más coherente a través de la boquilla 2, que logra un corte más angosto, podría ser una herramienta más efectiva en una operación de corte. En otras operaciones de corte, donde la boquilla está siendo manejada muy cerca de la superficie, la mejor opción podría ser la boquilla 3, que tiene un trayecto más extenso, pero no funcionaría si la superficie del objetivo estuviera más lejos. Y aunque no hubo una gran diferencia entre los rendimientos de las boquillas 1 y 5, hay una diferencia considerable en el precio.

Una boquilla más pequeña y ligera puede ser una solución intermedia beneficiosa si el cuerpo de la boquilla se coloca en el extremo de una lanza que será operada manualmente por varias horas seguidas.

Hay una manera alternativa de usar madera contrachapada como objetivo, que ya he usado también en mis clases. El estudiante está usando una pistola de limpieza de alta presión de accionamiento manual a 10.000 psi y hará pivotar la pistola horizontalmente de manera que el chorro corte una pieza de madera contrachapada que está colocada de forma casi paralela a la trayectoria de chorro, pero con la corriente impactando en la madera desde el lado inicialmente más lejano al operario. Pero mientras el pivoteo se completa, el chorro corta hasta donde la boquilla casi la toca y luego sigue barriendo más allá.

El resultado es que, en la distancia, el chorro puede cortar en la madera y se talla una ranura en ella.

Cortes horizontales en madera contrachapada

Figura 5: Cortes horizontales en madera contrachapada. Había alrededor de medio docena de estudiantes que habían golpeado la boquilla de manera que sólo limpió el borde izquierdo de esta pieza de madera contrachapada de 4 pies de ancho, y ustedes podrán observar que los cortes se extienden por más o menos las ¾ partes del camino a lo largo de la superficie.

Una vez que los estudiantes vieron este corte, les pregunté a qué distancia pensaban que, sobre la base de esa medición, el chorro podría cortar a una persona. En general dijeron que a unos tres pies, y luego, como medida de precaución, sugerí añadir aproximadamente un pie más.

Luego los llevé a una estructura de metal donde habíamos colgado un trozo de carne de cerdo. Medimos cuidadosamente la distancia “segura” desde el extremo de la boquilla hasta el cerdo.

“Ahora supongan que ustedes son el cerdo”, dije, “y giren el chorro lo más rápido que puedan, de modo que apenas tenga tiempo para impactar en `su brazo´, y así comprobaremos si la distancia es correcta.”

El trozo de cerdo fue atravesado varias veces por un chorro de 10.000 psi

Figura 6: El trozo de cerdo fue atravesado varias veces por un chorro de 10.000 psi, con una distancia de seguridad típica de más de cuatro pies desde la boquilla.

Siempre obtuvimos el resultado mostrado en la figura 6. El chorro penetraría en la carne a una profundidad típica de unas dos pulgadas y dejaría acanalado el hueso subyacente. Fue una forma sana de llamar su atención sobre el uso seguro de la tecnología de chorro de agua, y me di cuenta de que el personal docente también se volvió un poco más cauteloso después de hacer año a año esta clase.

Tecnología de chorro de agua – Probando el desgaste de la boquilla para chorro de agua al cortar espuma

La publicación de la semana pasada trataba sobre un simple ensayo que ayudaba a mostrar no solamente cómo comparar el efecto que tienen diferentes condiciones operativas (variando el tipo de abrasivo, el diseño de la boquilla, el AFR, etc.) como una manera de hallar un corte posiblemente mejor y más barato. Suele ser también práctico saber si una boquilla está empezando a desgastarse, de modo que se puede programar diferentes operaciones de corte para posibilitar que la boquilla siga trabajando sin poner en riesgo la calidad de un producto crítico.

Cambio en la profundidad de corte

Figura 1: Cambio en la profundidad de corte de la corriente del chorro a 50.000 psi al atravesar acero ASTM A108 en función del tiempo que la boquilla había estado en uso.

Aunque hemos encontrado que las boquillas de un fabricante dado coinciden más o menos en el rendimiento de corte y en los tiempos de corte antes de que se desgasten, el patrón de desgaste y cambio de rendimiento difiere de un diseño de boquilla a otro. También hay una cierta variación en el rendimiento de algunas boquillas aunque tengan el mismo diseño y estén bajo las mismas condiciones.

También hay veces en las que los cortes se hacen sin abrasivo o cuando el chorro de corte/lavado es manual, ¿qué hacer en estos casos? Usamos principalmente espuma como objetivo de corte e hicimos el montaje de manera que el chorro no cortara enteramente la espuma a lo largo del corte, de forma que, como con el acero, pudiera verse no sólo la profundidad del corte sino también la calidad del corte.

Cortes a través de espuma gruesa para embalaje rígido

Figura 2: Cortes a través de espuma gruesa para embalaje rígido. Nótese el borde rugoso en la parte inferior de las piezas sacadas pero también la buena calidad inicial del corte que se podía lograr para aproximadamente 14 pulgadas.

Hay una precaución que debe tomarse al cortar espuma, ya que las variedades más blandas se doblarán al interior del corte y darán una medida un tanto inexacta del verdadero rendimiento; aunque para una comparación rápida para ver cómo una boquilla está durando eso no es muy importante. De todas maneras, cuando se corta material más grueso y cuando se opta por cortes de mayor calidad, esto es algo que se debe tener en cuenta.

La espuma expandida blanca que se utiliza como material de embalaje también es muy fácil de cortar, incluso con las presiones que se pueden encontrar con un tipo de sistema de lavadoras a presión. Por lo tanto, si usted va a limpiar una cubierta u otra superficie, ayuda hacer una comprobación pasando el chorro a través de una pieza de material de esta clase para asegurarse de que tiene una buena boquilla en el extremo de la lanza antes de empezar.

Esto puede parecer bastante lógico; después de todo, usted acaba de ir a la ferretería y compró un nuevo paquete de boquillas. Bueno, al igual que con las otras boquillas que hemos visto, la calidad está asegurada sólo después del ensayo. En este caso particular, ensayamos con tantas variedades diferentes de boquillas de abanico como pudimos para ver cómo se comportaban al realizar el corte a través de un pedazo de espuma para embalaje. No es difícil cortar espuma para embalaje con un chorro de alta presión. Y puesto que la limpieza doméstica normalmente se lleva a cabo a 1000 psi o 2000 psi, hicimos ensayos en ambos niveles.

Resultados de una boquilla buena, una excelente y una mala

Figura 3: Resultados de una boquilla buena, una excelente y una mala con cortes a 1000 y 2000 psi y con la espuma movida a través del chorro a una distancia de 3 pulgadas. El número identifica la boquilla. Nótese que a 3 pulgadas, la número 18 pudo apenas eliminar la parte superior de la espuma.

Un chorro tipo abanico se define por la cantidad de agua que deja pasar a una presión establecida y por el ángulo del cono con el que el chorro se expande desde el orificio. Descubrimos también que el ángulo del cono con el que el chorro se expande realmente era un poco mayor que el especificado en el embalaje.

El peor diseño de boquilla que encontramos tenía dificultades para cortar penetrando en la espuma incluso en un rango muy estrecho:

Por otro lado, la mejor boquilla era capaz incluso de cortar el material manteniéndola a unas nueve pulgadas de la espuma.

Resultado de corte con una buena boquilla mantenida a nueve pulgadas de la espuma-objetivo

Figura 4: Resultado de corte con una buena boquilla mantenida a nueve pulgadas de la espuma-objetivo. A esta distancia, el chorro elimina tanto material como lo hacía el chorro mediocre estando a una distancia de 3 pulgadas.

Lo típico sería que el chorro no pudiese cortar en la espuma a una distancia de la boquilla muy superior a las cuatro pulgadas. (Usaré algunas fotos en un par de semanas para explicar más en detalle el porqué de esto). Y como breve comentario editorial para aquellos de ustedes que limpian su casa con un equipo doméstico, ¿cuántos de ustedes sostienen la boquilla tan cerca de la superficie? (¿O en el lavadero de autos?) Si no lo hacen, están perdiendo la mayor parte de la energía que están pagando y se unen al grupo de la mayoría de los estudiantes con los que he hecho esta demostración en mis clases).

Sin embargo, hay otra característica de las fotografías de los cortes que me gustaría destacar. Los chorros tipo abanico distribuyen el agua en forma de abanico divergente. Pero los resultados del diseño se dividían en dos tipos diferentes, uno donde la mayor parte del agua se concentraba en el medio del chorro (como en la figura 4), y aquellos en los que se centraba más en el costado.

Patrón de corte con las corrientes de chorro más al costado del flujo

Figura 5: Patrón de corte con las corrientes de chorro más al costado del flujo (puntas de flecha). Nótese que los dos cortes a presión están en los otros costados de esta muestra.

La ventaja de usar espuma es que permite ver fácilmente esta imagen de la estructura del chorro, con muy poco tiempo necesario para pasar la boquilla sobre una pieza de ensayo de material al inicio del trabajo, a fin de asegurarse de que el chorro sigue trabajando correctamente.

Esto es tanto una ventaja como una desventaja. Como la espuma es relativamente fácil de cortar para un chorro incluso a una presión más baja, el corte puede volverse más irregular con la profundidad en los casos donde se requiere de un corte profundo.

Uno de los programas que implementamos hace unos años, tenía por meta saber hasta qué profundidad se podría cortar en la espuma para embalaje rígido que se utiliza en algunas plantas industriales en las que el elemento que se está embalando necesita ser sostenido con firmeza pero también ser liberado fácilmente cuando es necesario. Esto requiere que la espuma sea cortada con una tolerancia muy baja, y en aquel entonces las piezas todavía eran cortadas a mano y luego pegadas entre sí. (Figura 2 arriba)

Encontramos que podíamos cortar hasta aproximadamente un pie de material antes de que las pequeñas partículas de corte quedaran suficientemente atrapadas en el chorro de corte y la calidad de los bordes del corte cayera por debajo de lo especificado. Pero para llegar a esa profundidad tuvimos que añadir una pequeña cantidad de un polímero al agua de corte. Esto ayudó a mantener el chorro más coherente a una distancia mayor y también redujo la cantidad de partículas que quedaban atrapadas en el chorro, permitiendo mayor profundidad de corte.

La espuma funciona como una simple muestra para dar una idea de la forma de chorro donde las presiones son más bajas. Cuando son más altas, se necesita un material más rígido aunque aun así debería cortarse por agua sin necesidad de abrasivo. La madera contrachapada es un objetivo útil en este caso, y escribiré sobre estos ensayos la próxima vez.

Tecnología de chorro de agua – El ensayo comparativo de corte en triángulo

Por el Dr. David A. Summers, Profesor Emérito de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri

KMT Waterjet Systems - Blog semanal

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Esta publicación se está escribiendo en Missouri, y si bien el viejo adagio que dice “Soy de Missouri, tendrás que demostrármelo” tiene un origen diferente del que reconoce la mayoría de la gente*, es un adagio que ha funcionado bien a lo largo de los años. Una vez hicimos un trabajo para la Marina, a quien le preocupaba que los chorros de agua de alta presión que se disparan contra artefactos explosivos los pudieran hacer estallar mientras trabajábamos para eliminar el explosivo de la camisa. Realizamos ensayos en un amplio rango de condiciones y dijimos “miren, no estalla, ¡la seguridad es total!”. “No,” respondieron, “necesitamos saber a qué presión explota, y entonces podremos calcular el factor de seguridad.” Fue así como construimos distintos dispositivos que disparaban chorros de agua de hasta 10 millones de psi, y los diferentes explosivos reaccionaron en su totalidad a esa presión (y usualmente bastante por debajo de ella). Sucedió también que una de las presiones con las que se había ensayado primero no estaba muy por debajo de la presión de sensibilidad de uno de los explosivos.

Esto quizá sirva para explicar por qué respuestas simples como “sí, yo puedo limpiar esto” o “sí, yo puedo cortar esto” frecuentemente no son las mejores. Uno puede, por ejemplo, colocar una pieza de acero sobre una mesa de corte y recortar la forma deseada a distintas presiones, caudales de abrasivo (AFR) y velocidades de corte. Si el primer intento funciona, podría ser perfectamente el conjunto de condiciones de corte que se vuelven parte del conocimiento tradicional de un negocio. Después de un tiempo se transforma en “pero siempre lo hemos hecho de esa manera”, y rara vez se considera el hecho de que el corte podría efectuarse más rápido, con mayor limpieza, menor uso de abrasivo y a un menor costo.

Entonces, ¿cómo abordar un simple conjunto de ensayos para hallar esas respuestas? Por muchos años trabajamos en el corte de acero. Luego, el diseño de nuestros ensayos se enfocó en el corte de muestras de acero porque esto nos daba la información más relevante, pero si tu negocio corta mayormente aluminio, titanio o algún otro material, el diseño del ensayo puede sufrir modificaciones.

El ensayo que realizamos recibe el nombre de ensayo “triángulo” porque es eso lo que usamos. Y como realizamos una gran cantidad de ellos, compramos varias planchuelas de acero ASTM A108 de 0,25 pulgadas de grosor y 4 pulgadas de ancho, de modo que pudiéramos tener un objetivo consistente. (Se usaron piezas de un cuarto y de tres octavos de grosor, según lo que estuviese disponible). Las dimensiones no son tan importantes, sin embargo, la forma básica que dimos después a las planchuelas al cortarlas tiene alguna ventaja, como pasaré a explicar. (Después resultó que podríamos haber usado muestras de solamente 3 pulgadas de ancho, pero las costumbres no se abandonan de un día para otro, y con presiones mayores el tamaño original sigue funcionando).

Forma triangular básica para corte de prueba con chorro de agua

Figura 1: Forma triangular básica para corte de prueba con chorro de agua.

Haber elegido un largo de muestra de 6 pulgadas también es, en cierto modo, arbitrario. Preferimos hacer una tanda de corte de unos 3 minutos, de manera que el sistema estuviera relativamente estable, y teníamos una buena distancia a lo largo de la cual hacer mediciones, pero si tienes algunas piezas de chatarra que puedan dar algunas muestras triangulares de aproximadamente la misma forma, entonces úsalas.

Se coloca entonces la pieza en un soporte, se la sujeta a un montante en la mesa de corte y se la ubica de modo que el largo de 6 pulgadas quede hacia arriba y el triángulo esté apuntando hacia abajo.

El soporte para el triángulo de prueba

Figura 2: El soporte para el triángulo de prueba.

La boquilla se coloca de forma tal que cortará desde el extremo agudo del triángulo pasando por el medio de las 0,25 pulgadas de grosor hacia el extremo de 4 pulgadas de la pieza. La pieza se coloca con la parte superior de la muestra al nivel del agua en la mesa de corte. Luego se corta la pieza a la presión, AFR y una velocidad de 1,25 pulgadas por minuto, frenando el corte antes de alcanzar el otro extremo de la pieza, pero el ensayo debe realizarse por un mínimo de un minuto después de que el chorro haya dejado de cortar la pieza completa.

Luego se extrae la pieza de la mesa de corte y, para hacer una sencilla comparación, se anota el momento en el que el chorro dejó de cortar el triángulo.

Se muestra el momento en el que el chorro paró de cortar a través de varias piezas como función de la antigüedad de la boquilla

Figura 3: Se muestra el momento en el que el chorro paró de cortar a través de varias piezas como función de la antigüedad de la boquilla, todas las demás condiciones de corte se mantuvieron invariables (se estuvo probando un material de boquilla más blando, por lo que la vida útil era demasiado corta). La vista de las muestras es desde la cara inferior
(A en la fig. 1).

Un chorro abrasivo corta el material de dos maneras distintas: la sección suave inicial, donde ocurre el contacto primario entre el chorro y la pieza, y la sección inferior más dura, donde las partículas han impactado y rebotado una vez sobre el objetivo, y luego amplían y raspan el corte. Como algunos trabajos requieren la calidad de la primera profundidad, tomamos las muestras de acero y fresamos una cara de la muestra a lo largo del borde inferior del corte hasta que el fresado alcanza la profundidad del corte, entonces recortamos esa tapa de material de modo que pueda exponerse el corte. Nótese que la profundidad se mide hasta el tope de la sección donde la profundidad cambia.

Ejemplo típico de un triángulo de acero

Figura 4: Ejemplo típico de un triángulo de acero que ha sido cortado y luego seccionado para mostrar la calidad del corte.

He mencionado con anterioridad que comparamos diseños diferentes de fabricantes que compiten. Bajo exactamente la misma presión, el mismo caudal de agua y los mismos caudales de abrasivo, la diferencia entre los resultados de los cortes difirieron entre sí más de lo esperado.

Vistas seccionadas de seis muestras cortadas

Figura 5: Vistas seccionadas de seis muestras cortadas por diseños diferentes de boquillas, pero a la misma presión, caudal de agua, AFR y velocidad de corte.

Había diferencia suficiente, de modo que fuimos a comprar duplicados y triplicados de distintas boquillas y los probamos para asegurarnos de que los resultados eran válidos. Y fueron confirmados con los mencionados ensayos adicionales. Con el paso de los años, otros fabricantes produjeron diseños nuevos, los cuales fueron probados y agregados a la tabla: este fue el resultado después de que el número inicial se duplicó. (Los azules son los resultados de los primeros ensayos de la serie de boquillas que se muestran arriba).

Profundidades de corte comparativas

Figura 6: Profundidades de corte comparativas usando la misma presión y AFR pero doce diferentes diseños de boquilla disponibles en el comercio.

Hubo varias razones que explican los diferentes resultados, y explicaré algunas de dichas razones a medida que continúe esta serie, pero terminaré con un ejemplo sencillo de una de las primeras comparaciones que hicimos. Realizamos lo que se denomina un ensayo factorial. En otras palabras, se fijó la presión a uno de los tres niveles y la AFR fue fijada en uno de los tres niveles. Si cada ensayo se realiza con una combinación de presiones y valores AFR, y cada combinación se hace una vez, entonces se obtienen los nueve resultados que se muestran en una tabla.

Profundidades de corte

Figura 7: Profundidades de corte resultantes de cortar a presiones de chorro de agua de 30.000 a 50.000 psi y AFR de 0,6, 1,0 y 1,5 lb/min.

Los resultados muestran que no se obtiene ningún beneficio al incrementar el AFR por encima de 1 lb/minuto (y un ensayo posterior mostró que el mejor AFR para esa combinación particular de tipo de abrasivo y diámetros de orificio de agua y boquilla era de 0,8 lb/minuto).

Ahora la mayor parte de mi audiencia sabrá ese valor y es posible que lo esté usando, pero recuerden que esos ensayos se realizaron hace más de quince años, y en aquella época el poder ahorrar un 20% o más en costes de abrasivo sin perder capacidad de corte era un logro importante. Tengan también en cuenta que descubrir eso demandó solamente 9 ensayos (tiempo de corte de aproximadamente 30 minutos).

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* La razón del origen de ese dicho de “soy de Missouri, tendrás que demostrármelo” fue que una cantidad de mineros migraron de Missouri a Colorado. Cuando llegaron a las Montañas Rocosas se encontraron con que a pesar de que las técnicas de minería eran las mismas, las palabras que se usaban eran distintas. (Cada distrito minero tiene su propia jerga). De modo que pidieron que se les mostrara qué querían decir los mineros de Colorado para que pudiesen entender a qué se referían las palabras.