Barnices en sistemas de lubricación y control de turbomaquinaria

Cristián Schmid Scopel 26 de marzo de 2024

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12 min. de lectura

Cristián Schmid Scopel
Gerente General
Grupo Sicelub Lubritech
cristian.schmid@reladyne.com

1. INTRODUCCIÓN

En los últimos 20 años han aparecido varios problemas en sistemas de lubricación y control de turbomaquinaria en la Industria de Oil & Gas y Generación de Energía, debidos a la presencia de barnices en el lubricante. La mayor cantidad de problemas se ha visto en Turbinas de Gas, Compresores Centrífugos donde el lubricante tiene contacto con el Cierre Mecánico, Máquinas de Papel en Industria Papelera, y algunos Compresores de Aire, entre otros. Históricamente, estos problemas han ocasionado pérdidas de producción, ya sea por una bajada de carga, o por paradas no programadas de equipos. También se han visto retrasos en paradas programadas, al tener que realizar una limpieza más exhaustiva del sistema, detectándose la presencia del barniz, sólo al abrir la máquina para su mantenimiento.

Existe mucha literatura que muestra la influencia de problemas de lubricación en paradas no programadas de turbinas, que ocasionan problemas de pérdida de producción y/o grandes costos de mantenimiento.

Explicaremos el proceso de formación de barnices, las técnicas predictivas para gestionar su evolución desde etapas tempranas, y las diferentes tecnologías disponibles y acciones a llevar adelante. Si bien existen diversas tecnologías y procedimientos disponibles en el Mercado, no existe una única solución para cada problema. El principal objetivo del trabajo es explicar el proceso de ingeniería de aplicación especial para escoger la mejor solución desde el punto de vista técnico económico para cada caso especial, ya que se percibe una idea en el Mercado de que se debe seleccionar una única tecnología que servirá para prevenir-resolver todos los problemas. Intentaremos mostrar que esta premisa no es correcta, y que debe aplicarse un plan de trabajo especial para cada caso.

2. DESARROLLO

Cuando oímos la frase “barnices en sistemas de lubricación o control”; podemos hacernos una idea general sobre lo que significa, aunque conviene definir correctamente el tema. Cuando el lubricante se degrada, se forma productos de la degradación llamados contaminantes suaves, generalmente de tamaño menor a 1 micrón. La degradación de un lubricante puede tener origen químico, mecánico, térmico, y generalmente, una combinación de las anteriores.

Estos contaminantes pueden ser solubles en el aceite o insolubles. Estos últimos, son de naturaleza polar y por lo tanto fácilmente combinables entre sí, y absorbidos por partes metálicas de la máquina, tales como cojinetes de deslizamiento, engranes, servoválvulas, intercambiadores de calor, entre otros.

La presencia de contaminantes solubles e insolubles es bastante dinámica en un sistema de lubricación o control; ya que variaciones de temperatura pueden convertir contaminantes solubles en insolubles o viceversa en la mayoría de los casos. Esta reversibilidad permite aplicar ciertas tecnologías que disuelven los contaminantes insolubles ya depositados en la máquina, y que luego pueden ser removidos. Decimos, en la mayoría de los casos, porque este proceso no es posible cuando existe un cierto aditivo en el lubricante que genera degradación inorgánica. El aditivo en cuestión es el dialquil ditiofosfato de zinc (ZDDP) utilizado principalmente como aditivo antidesgaste y secundariamente como aditivo antioxidante.

Diseños de los últimos 20 años, han logrado bases más resistentes a la oxidación, pero con menor capacidad de solubilizar estos productos una vez generados, lo que hace que pequeños grados de oxidación, generen presencia de productos insolubles que se depositan en la máquina. Por ello, cuando sólo se utilizaban bases lubricantes de grado I, no existían problemas con barnices, ya que todos los productos de oxidación se mantenían disueltos en el mismo lubricante.

Cada vez más se utilizan lubricantes grupo II y III; por sus mejores propiedades de resistencia a la oxidación, mejor índice de viscosidad y grado de pureza. No fue hasta bien entrado su uso, que se entendió mejor esta debilidad relacionada con la solubilidad de la base; para poder explicar la causa raíz de la formación de barnices, y sus consecuentes técnicas preventivas y correctivas para evitar su presencia.

2.1. Métodos de detección de barnices

La Industria recorrió un camino algo tortuoso al inicio, ya que los paquetes de análisis de aceite tradicionales recomendados para turbomaquinaria, no parecían brindar información en lo relacionado con barnices, y en más de una ocasión, la presencia de barnices, se evidenció con una parada no programada o fallo catastrófico de la turbina. Cuando se producía un disparo de una turbina de gas por un atascamiento en una servoválvulas, se revisaban los análisis de aceite históricos y ningún valor parecía advertir de riesgo alguno.

Los principales laboratorios del mundo comenzaron a investigar el fenómeno y propusieron varios métodos para determinar la presencia de barniz. La Norma ASTM, adoptó uno de los métodos, bajo la nomenclatura ASTM D-7843-21 y lo bautizó “Método de prueba estándar para la medición de cuerpos de color insolubles generados en aceites de turbina en servicio mediante colorimetría de membrana (MPC)”. A grandes rasgos, lo que hace esta prueba, es diluir la muestra de lubricante en un solvente, y luego hacerla pasar por una membrana de grado de filtración menor a un micrón. La membrana actúa como un filtro y retiene los productos de oxidación insolubles en el aceite, y cambia de color. Luego se utiliza un fotómetro para medir la desviación con respecto a un patrón, y el resultado es un número que puede ser desde 0 a infinito, indicándose como valor de alarma un valor por encima de MPC = 30.

Junto con la prueba anterior, se recomienda realizar otras pruebas que brindan información acerca del estado de degradación del lubricante, y la presencia de aditivos, tales como:

• Número Ácido. TAN. Sirve para medir el avance del estado de degradación.
• RPVOT. Sirve para medir la resistencia real del aceite a oxidarse.

Incluso la prueba de MPC, puede realizarse tanto para detectar la presencia de contaminantes solubles como insolubles.

Realizar un buen programa de análisis de aceites, es sin dudas, el primer paso para crear una estrategia de mantenimiento adecuada para cada situación.

2.2. Remoción de barnices. Filosofía

Bajo este título, mucho se puede desarrollar, y desde nuestra experiencia, percibimos que la mayoría de nuestros clientes piensa que existe una única manera de remover, o prevenir la presencia de barnices en sistemas de lubricación o control. Constantemente, se busca encontrar esa herramienta, que permita solucionar el 100% de los casos. Tal herramienta, no existe; pero sí puede trazarse un plan de acción que permita afrontar el caso de la mejor manera posible.

Teniendo en cuenta el proceso de formación de los depósitos en las partes de la turbomaquinaria; podemos atacar el problema durante diferentes fases. Por supuesto, el hecho de utilizar un lubricante con mayor resistencia a la oxidación y su monitoreo con la frecuencia establecida por las normas; es vital para asegurar el éxito del plan.

No debemos perder de vista que los barnices que causan problemas operativos en los equipos son aquellos insolubles, y allí debe estar enfocada la prioridad de prevención y/o eliminación.

2.2.1. Tecnologías de Remoción de Barnices

Existen diferentes tecnologías y métodos disponibles en el mercado, normalmente enfocadas a intervenir durante diferentes momentos del proceso de formación de barnices. A continuación, enumeraremos las más comunes.

• Filtros electrostáticos (ELC): Utilizan fuerzas electrostáticas para atraer contaminantes polares. Hacen pasar el fluido por un ánodo y cátodo; y las partículas precursoras de formación de barnices se atraen a estos ánodo y cátodo. Esta tecnología tiene mayor eficiencia removiendo contaminantes blandos insolubles.

• Aglomeración de cargas balanceadas (BCA): Es un proceso similar al anterior, pero optimizado. Se divide el flujo de circulación de fluido y se aplica un campo electrostático. Luego se junta el flujo de circulación, y se produce un fenómeno de aglomeración que aumenta el tamaño de partícula, hasta valores que pueden retenerse con un filtro convencional. Tienen mayor eficiencia para remover contaminantes blandos insolubles, aunque también remueven solubles. Tecnología recomendada por General Electric (TIL 1534).

• Filtros de medio profundo (DM): Son filtros construidos con un medio polar celuloso, que le permite atraer y retener productos de la degradación polares. Son muy efectivos reteniendo contaminantes solubles, sin embargo, si el aceite se calienta, todos los productos retenidos en el filtro de celulosa, pueden desprenderse nuevamente. Además, puede afectar presencia de aditivos.

• Proceso de separación electro físico (ESP): Esta tecnología fue diseñada para remover contaminantes blandos orgánicos. Utilizando un medio como una resina, esta tecnología puede remover contaminantes solubles e insolubles, aunque no puede remover contaminantes producidos bajo la presencia del aditivo ZDDP (Aceites hidráulicos). Tecnología recomendada por Siemens.

Además de las tecnologías comentadas arriba; existe la posibilidad de realizar:

• Flushing para remover barnices: Tal y como la norma ASTM D-6439-20 lo indica, durante una parada programada, se agrega un producto solvente o detergente al aceite de operación, se incrementa la temperatura, y se circula por espacio de 12-72 horas; hasta que los barnices del sistema se hayan desprendido. Para optimizar el procese, se debe calentar la mezcla y luego drenarse en caliente completamente para retirar los barnices del sistema. Esta práctica se recomienda cuando la presencia de barnices es muy elevada y crítica.

• Agregado de producto solubilizador: Cuando se va a aplicar alguna tecnología de remoción de barnices; el agregado de un producto externo, promueve una mejora en la solubilidad del lubricante, y se ayuda a retirar barnices del sistema por medio del uso de alguna de las tecnologías descritas arriba.

2.3. Enfoque Grupo Sicelub Lubritech

En la actualidad, el problema se entiende mejor, aunque existen aún grandes desafíos de conocimiento y entrenamiento en la mayoría de los usuarios de Iberoamérica, para atender este problema de forma proactiva. A continuación, presentamos el enfoque de nuestra Empresa, junto con algunos casos de aplicación práctica para tratar el tema.

El primer paso es recolectar la mayor cantidad de información sobre la aplicación, tal y como:

• Fabricante, tipo y modelo de la turbina en cuestión.

• Tipo de aceite utilizado; sobre todo para identificar la presencia de aditivo ZDDP, horas de operación, temperatura de operación, y ciclos de funcionamiento (turbinas con muchos arranques y paros son susceptibles de presentar mayores problemas de barnices).

• Históricos de análisis de lubricantes. Si no se cuentan con análisis MPC, RPVOT, Ruler, se sugiere la realización de estas pruebas.

• Históricos de problemas, paros no programados, incremento de temperaturas en cojinetes, aumento de la frecuencia de cambio de elementos filtrantes.

• Proximidad de paradas programadas de mantenimiento mayor.

El segundo paso es aplicar la tabla N° 1 como una guía de uso de las tecnologías comentadas con anterioridad. Puede verse que, en función de la presencia de contaminantes solubles o insolubles, dependiendo de la temperatura de operación y de la presencia o no del aditivo ZDDP; alguna tecnología puede ser más eficiente que otra.

Tabla N° 1

2.3.1. CASOS DE APLICACIÓN

Presentamos un caso de una Turbina de Gas, GE 9FA en operación en una Central de Ciclo Combinado de Argentina. Periodo de intervención desde Octubre de 2015 a Marzo 2018. Aceite de operación tipo turbina con aditivos antidesgaste. La turbina había presentado dos disparos por atascamientos de servoválvulas, ocasionando salida de operación de la red y consecuentes pérdidas de producción. Los valores históricos de MPC recientes estaban por encima de 30. La fecha de próxima parada programada para mantenimiento mayor estaba planeada para inicios de 2018.

A los efectos de continuar produciendo, se propuso la instalación de un equipo externo de aglomeración de cargas balanceadas, tal y como se recomienda por GE; y de acuerdo con la tabla N° 1; la tecnología más adecuada para lubricantes de turbinas con aditivos antidesgaste. Durante los siguientes 3 años de operación, se continuó monitoreando el estado del lubricante, se notó una bajada leve de los valores MPC; pero no se registraron salidas de operación por problemas de servoválvulas.

Para la parada programada, se realizó un Flushing de remoción de barnices, tal y como se indica en la Norma ASTM D-6439-20, logrando remover gran cantidad de barnices adherida al sistema. Se realizó cambio de lubricante, y se mantuvo la unidad de aglomeración de cargas balanceadas operando de manera preventiva, para evitar la generación de nuevos barnices. En la figura 3 pueden verse fotografías del proceso de Flushing para remoción de barnices.

Esta solución fue diseñada para evitar salidas de operación, y no anticipar la parada programada para mantenimiento mayor.

Presentamos un segundo caso en una Turbina de Gas de Cogeneración en una Papelera de España. En los análisis de lubricantes, se detectó un valor de MPC de 32; estando los demás parámetros del análisis en valores normales. No se habían detectado casos de atascamientos en servoválvulas, ni otros valores operativos fuera de lo normal. El aceite de operación era un aceite tipo turbinas, sin aditivos antidesgaste. La fecha de la próxima parada programada se encontraba lejana en el tiempo. En este caso, simplemente se propuso conectar un equipo de resinas iónicas externo en forma de riñón, y en un periodo de 2 meses, se logró disminuir el valor de MPC desde 32 a 8.

Por último, tenemos un caso en Brasil, en una Industria de Cartón, una turbina de vapor del fabricante TGM presentaba altos contenidos de partículas, agua y valores de MPC por encima de 45. El aceite utilizado es un aceite tipo turbinas sin aditivos antidesgaste, en una cantidad de 9.000 litros. Se decidió utilizar la tecnología de aglomeración de cargas balanceadas, junto con la adición del 5% de un producto solubilizador diseñado por nuestra Empresa. El resultado que puede apreciarse en la figura N° XX, es un rápido descenso del valor del MPC en los primeros días, y su mantenimiento durante los próximos 90 días en que duró el servicio. Como puede verse en la figura 4, el valor se estabilizó por debajo de MPC = 10.

3. CONCLUSIÓN

Es evidente que no existe una solución mágica que podamos aplicar a cada caso. Con el presente trabajo, además de brindar información sobre la manera de detectar presencia de barnices, y presentar diferentes tecnologías y procesos para atender el tema; hemos querido mostrar que se requiere de una cierta ingeniería para determinar el mejor proceso a seguir en cada caso, siendo oportuno recalcar, que siempre se busca como primer objetivo, mantener la fiabilidad y disponibilidad de la turbina a intervenir; preservar la carga de lubricante, y sólo en determinados casos críticos se propone la realización de un Flushing de limpieza al sistema, con el consiguiente cambio de carga de lubricante.

Para no llegar a casos extremos de paradas no programadas, o cambios de lubricante anticipados, sugerimos monitorear cada 3 ó 6 meses la turbina con los análisis recomendados por la Norma ASTM D-4378-20, y tomar acciones preventivas para evitar la presencia de contaminantes insolubles en el lubricante, tal y como recomiendan los principales fabricantes de turbinas. La mayoría de turbinas nuevas, ya se instalan con un equipo de remoción de precursores de barnices desde fábrica, a fin de optimizar su mantenibilidad.

Una turbina que opere con su sistema limpio, y con el correcto monitoreo tribológico, y reposiciones menores al 10% anual, podrá utilizar la misma carga de lubricante por más de 20 años, convirtiendo al lubricante en un activo más, y no en un consumible. Además de los conocidos beneficios en fiabilidad y disponibilidad, cada vez más serán importantes los beneficios en materia de sostenibilidad por medio ambiente.

4. BIBLIOGRAFÍA

Norma ASTM D-4378-20. “Standard Practice for In-Service Monitoring of Mineral Turbine Oils for Steam, Gas, and Combined Cycle Turbines”

Norma ASTM D-6439-20. “Standard Guide for Cleaning, Flushing, and Purification of Steam, Gas, and Hydroelectric Turbine Lubrication Systems”

TIL 1528 GE. “Lube Oil Varnishing”

Norma ASTM D-7843-21. “Standard Test Method for Measurement of Lubricant Generated Insoluble Color Bodies in In-Service Turbine Oils using Membrane Patch Colorimetry”