La erosión y el desgaste son problemas críticos que impactan los equipos en minería, energía e infraestructura, donde los flujos de líquidos o partículas desgastan las superficies debido al funcionamiento continuo de los procesos.
Comprender en detalle estos fenómenos nos permite diseñar componentes más duraderos y planificar mejor el mantenimiento, alargando la vida útil y eficiencia operativa de los equipos.
En el siguiente artículo veremos las características de estos procesos físicos y cómo el software multi-físico Simcenter STAR-CCM+ de Siemens proporciona herramientas avanzadas para simularlos.
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La erosión por impacto ocurre cuando partículas sólidas, arrastradas por un fluido, chocan a alta velocidad contra una superficie, arrancando material por microgolpes repetitivos.
Este mecanismo predomina en condiciones de bajo contenido de sólidos y cambios bruscos en la dirección del flujo.
Imagen: simulación de erosión una válvula de regulación submarina
Por ejemplo, en tuberías de relaves mineros, cada partícula impacta perpendicularmente sobre la pared, generando fragmentación del material. La energía cinética de la partícula (relacionada con velocidad y masa) y el ángulo de impacto son clave: en materiales frágiles (como grafito o cerámicas) la erosión máxima ocurre con impactos casi perpendiculares, mientras que en materiales dúctiles (metales blandos) suele ocurrir con impactos rasantes.
En la práctica, la erosión por impacto suele comprometer equipos importantes, como por ejemplo:
Bombas de pulpa
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Válvulas en sistemas de transporte de lodos
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Boquillas de chorro con arena
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Palas de ventiladores
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Con STAR-CCM+, es posible modelar el flujo de materiales abrasivos, como pulpas minerales, dentro de componentes del sistema, considerando tanto el comportamiento del fluido como la interacción con partículas sólidas. Esto permite predecir con alta precisión las zonas de mayor desgaste, ya que la simulación identifica las áreas donde las partículas impactan con mayor energía o frecuencia contra las superficies internas.
El desgaste abrasivo es el daño que ocurre cuando partículas sólidas rozan o raspan una superficie bajo presión. A diferencia del impacto, aquí las partículas se deslizan sobre el material, actuando como una lijadora que va desgastando la superficie.
Imagen: simulación de erosión abrasiva en una tubería
Se presenta principalmente en condiciones de alta concentración de sólidos o en contacto continuo con materiales abrasivos. En minería, por ejemplo, la arena fina en suspensión puede desgastar uniformemente tuberías, rodillos de molinos o transportadores, formando surcos paralelos al movimiento relativo. Entre los principales daños que puede causar está:
Para ayudar a prevenir estos daños, STAR-CCM+ puede modelar este mecanismo aplicando correlaciones especializadas: incluye la correlación de Achard para desgaste abrasivo, aplicable cuando las partículas inciden con ángulos muy rasantes o hay altas cargas de sólidos de esta forma, se predice la profundidad de corte o raspado del material bajo flujos abrasivos.
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Imagen: Ilustración del daño causado por cavitación
La erosión fronteriza agrupa fenómenos de desgaste causados por la acción directa del fluido sobre la pared, a veces sin partículas sólidas. Un caso extremo es la cavitación: cuando burbujas de vapor colapsan sobre una superficie, su implosión genera impactos diminutos (picaduras) capaces de agujerear incluso metales endurecidos.
Algunos de los principales daños causados por este fenómeno son:
Desgaste acelerado en zonas críticas, como uniones, codos, bifurcaciones o cambios de sección en tuberías y ductos.
Gracias a su capacidad multifísica, STAR-CCM+ reproduce con precisión el comportamiento del fluido, el impacto de partículas sólidas y la interacción con las superficies internas del equipo. Esto permite identificar zonas críticas de desgaste, estimar la tasa de erosión y analizar cómo diferentes diseños, materiales o condiciones operativas afectan el daño.
Con estos datos, los ingenieros pueden ajustar la geometría del equipo, elegir materiales más resistentes o rediseñar áreas vulnerables para reducir el desgaste localizado, extendiendo la vida útil del sistema y evitando fallas inesperadas.
Las simulaciones por computadora, en este caso las de erosión con STAR-CCM+ se aplican a numerosos componentes clave de la industria chilena:
En todos estos casos, STAR-CCM+ permite localizar las zonas de mayor erosión del diseño actual y evaluar alternativas antes de la construcción o modificación real.
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Emplear STAR-CCM+ para predecir erosión y desgaste ofrece ventajas clave:
Identifica tempranamente los puntos críticos de erosión, evitando roturas inesperadas. Se puede simular cómo evoluciona el desgaste a lo largo de la vida útil del componente para programar revisiones oportunas.
Al facilitar el prototipado virtual, los ingenieros pueden explorar múltiples configuraciones sin fabricar modelos costosos. Las simulaciones permiten ajustar ángulos, curvas o volúmenes de fluido para minimizar la erosión.
Con datos de desgaste cuantificados, se planifican repuestos y mantenimientos preventivos en base a criterios de desgaste real. Esto incrementa la disponibilidad de equipos y prolonga su vida útil, traduciendo la simulación en ahorros reales.
Al reducir la prueba-error física, se minimizan riesgos de seguridad en pruebas destructivas. También se pueden estudiar condiciones extremas (“¿qué pasa si…?”) sin exponer equipos reales, fortaleciendo la toma de decisiones.
En conjunto, simular la erosión y el desgaste en STAR-CCM+ fortalece la ingeniería de confiabilidad en la industria chilena. Los datos obtenidos guían mejoras en el diseño (selección de materiales, espesores y geometrías) y en las estrategias de operación y mantenimiento.
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