INTRODUCCIÓN

En el presente caso se detallan los pormenores de la falla de los engranajes de un reductor de velocidad de 500 CV que se presentó como resultado del taponamiento de los filtros del sistema circulatorio de aceite que interrumpió el flujo de aceite hasta ellos impidiendo su refrigeración y por lo tanto ocasionando su falla.

Los filtros de aceite montados en sistemas de lubricación por circulación permiten garantizar que el aceite lubricante se mantenga dentro de los estándares de limpieza recomendados por la norma ISO 4406 y que el factor de limpieza del aceite involucrado en la vida disponible de los equipos rotativos será el óptimo, garantizando de esta manera que los mecanismos lubricados alcancen la vida de diseño especificada por el fabricante del equipo. Los filtros de aceite son elementos importantes e imprescindibles para el correcto funcionamiento de las máquinas rotativas pero se pueden volver en un momento determinado el enemigo número de los mecanismos de las mismas cuando se taponan e impiden que el aceite fluya normalmente hasta ellos, ya sea que su función sea solamente la de lubricarlos ó la de refrigerarlos adicionalmente.

El reductor de velocidad está constituido por un par de engranajes cilíndricos de dientes helicoidales montados en rodamientos de rodillos cónicos. La potencia en el eje de entrada es de 500 CV y la transmite entre un motor eléctrico y un compresor de pistones de doble efecto y de dos etapas cuyo cigüeñal gira a 450 rpm. El sistema de lubricación es por salpique y cuenta adicionalmente con un sistema centralizado de lubricación que permite enfriar y filtrar el aceite para mantener la temperatura del reductor de velocidad en 50 °C, que es la máxima temperatura permisible para lograr que el factor de temperatura sea de uno. El aceite sintético que se utiliza en la lubricación del reductor de velocidad es el Uconall 68 del tipo Polyalkileneglicol.

El sistema centralizado de lubricación consiste en un depósito de aceite, dos bombas de piñones, dos filtros, dos enfriadores, una válvula de seguridad, una válvula para el control de flujo de aceite, tuberías, manómetros e indicadores de presión. Inicialmente el aceite es succionado del depósito por la bomba de piñones, la cual lo hace fluir a través del filtro de aceite y el enfriador y de allí hasta el reductor de velocidad, donde baña los engranajes y rodamientos de apoyo de los ejes bajándoles la temperatura de operación. El aceite regresa del reductor de velocidad al depósito a través de las tuberías de drenaje. Un sistema de rebose de aceite a la salida del reductor de velocidad garantiza que si en un momento dado no fluye el aceite desde el depósito, el reductor de velocidad no se quede sin aceite y permita hacer los correctivos que sean necesarios.

El 11 de mayo de 2002, se paró intempestivamente el compresor por falla en el acople flexible de caucho que une el eje de salida del reductor de velocidad con el cigüeñal del compresor; para reemplazar el acople fue necesario quitar la parte superior de la carcasa del reductor de velocidad, desmontar el eje de baja velocidad con el engranaje y llevarlo al taller para retirarle acople y montarle el nuevo. Una vez realizado este trabajo, se ensambló el reductor de velocidad y se acopló con el compresor y se puso en servicio el día 15 de mayo; para verificar el funcionamiento del conjunto motor eléctrico-reductor de velocidad-compresor se tomaron valores de vibración y de temperatura, ver tabla No1.

El día 24 de mayo el operador de turno reporto "ruido anormal" en el reductor de velocidad, el personal de mantenimiento predictivo le tomó valores de vibración y la temperatura de operación y el supervisor de operaciones verificó su funcionamiento encontrando que no había circulación de aceite entre el depósito del sistema centralizado de lubricación y el reductor de velocidad; analizadas las causas se encontró que el filtro de aceite del sistema centralizado de lubricación estaba taponado (alta caída de presión) por lo que se procedió a cambiar dicho filtro por el filtro stand by y la circulación de aceite se normalizó y el ruido disminuyó considerablemente; se tomaron valores de vibración y temperatura operación, ver tabla No1.

El día 26 de mayo durante el turno "A" el operador reporta "ruido anormal", "golpeteo" y altos valores de vibración en los componentes del reductor de velocidad y altas temperaturas en el aceite de lubricación, ver tabla No1. Se recomendó colocar un chorro de agua sobre la superficie exterior del enfriador de aceite, con lo cual se logró disminuir la temperatura de operación y el ruido, ver tabla No1. Durante el turno "B" se le diagnosticó de nuevo al reductor de velocidad incremento en la temperatura de operación y aumento en los valores de vibración, ver tabla No1. Tomados y analizados los valores de la temperatura de operación y de la vibración se recomendó parar el reductor de velocidad de manera inmediata y proceder a su reparación.

Tabla No 1
Valores de temperatura y de vibraciones tomados al reductor de velocidad

De acuerdo con la información suministrada por el personal de operaciones y el de Confiabilidad, el reductor de velocidad se encontró en varias ocasiones sin la debida circulación de aceite entre el depósito de aceite del sistema centralizado de lubricación y el reductor de velocidad. La situación en todos los casos se resolvió cambiando el filtro de aceite que en ese momento estaba trabajando por el filtro stand-by. En el sistema centralizado de lubricación solo existe alarma por baja presión de aceite a la salida de las bombas de piñones el cual acciona un sistema automático para arranque de la bomba auxiliar pero no cuenta con un sistema por baja presión de aceite a la entrada del reductor de velocidad.

Durante la inspección del reductor de velocidad, efectuada en el taller de mantenimiento, se encontraron los siguientes daños:

· Rotura de la tapa porta rodamientos (abierta) del eje de alta velocidad; se recomendó soldarla y maquinarla para recuperar las medidas originales.
· Los dientes del piñón (alta velocidad) presentaban un flujo plástico crítico hacia la parte exterior de los dientes sin presentar rotura de los mismos.
· Los dientes del engranaje (baja velocidad) presentaban un flujo plástico crítico hacia el diámetro de paso sin presentar rotura de dientes.
· Los rodamientos no presentaban daño anormal y aparentemente estaban en buen estado.
· El filtro de aceite del sistema de lubricación se encontró taponado y colapsado.

El análisis de falla se llevó a cabo mediante la siguiente formulación de hipótesis:

· Taponamiento del elemento filtrante del sistema centralizado de lubricación por suciedad ó mala calidad del filtro de aceite.
· Mala calidad del aceite lubricante.
· Des-alineamiento entre el conjunto motor eléctrico y reductor de velocidad ó entre éste y el compresor.
· El reductor de velocidad se quedó sin aceite dando lugar a desgaste adhesivo de los elementos lubricados.
· Se interrumpió el flujo de aceite entre el depósito del sistema centralizado de lubricación y el reductor de velocidad, generando altas temperaturas de operación en los componentes del reductor de velocidad.

· Primera hipótesis: Taponamiento del elemento filtrante

Durante la inspección se encontraron los elementos filtrantes de los filtros principal y stand-by sucios y taponados, además se observó que uno de ellos estaba completamente colapsado. Se llegó a la conclusión que el grado de suciedad presente en los filtros no permitió el flujo de aceite a través de ellos, haciendo que el aceite se devolviera al depósito del sistema centralizado de lubricación a través de la válvula de seguridad de la bomba de aceite. El tiempo promedio de vida de los filtros es de 3 meses y llevaban operando aproximadamente 6 meses.

· Segunda hipótesis: Mala calidad del aceite lubricante

Se tomó muestra del aceite sintético Uconall 68 que lubrica el reductor de velocidad y se envió al laboratorio para realizarle análisis de: Viscosidad, Número Acido Total (TAN), humedad y contenido de partículas metálicas como Hierro (Fe), Cobre (Cu) y Silicio (Si). Los siguientes fueron los resultados de laboratorio:

· Viscosidad (cSt)/ 40°C, ASTM D445: 67, 65 vs. 57,80 mínimo. permisible. Está OK
· Número Acido Total, mgrKOH/gr.ac.us., ASTM D664: 0,67 vs. 3,00 máximo permisible. Está OK.
· Agua, %volumen, ASTM D32: 0,10 vs 0,20 máximo permisible. Está OK.
· Metales, Absorción Atómica: Fe: 250 ppm versus 80 ppm ; Cu: 45 ppm versus 20 ppm; Si: 10 ppm versus 40 ppm. Hay problemas de desgaste crítico en los engranajes y separadores ó jaulas de los rodamientos que son de cobre.

Por los resultados obtenidos en el análisis de laboratorio se descarta que la calidad ó el estado del aceite sintético hayan sido las causas de la falla de los componentes del reductor de velocidad.

· Tercera hipótesis: Desalineamiento entre el motor eléctrico-reductor de velocidad-compresor

Esta hipótesis se descarta ya que en la entrega del equipo después del cambio del acople se tomaron valores de vibración los cuales no indicaban la existencia de des-alineamiento. Es probable que ocurrida la falla y debido a los esfuerzos adicionales que se presentaron en el sistema, finalmente se desalinearan los equipos pero como una consecuencia y no como la causa del problema.

· Cuarta hipótesis: El reductor de velocidad se quedo sin aceite

No es factible ya que el reductor de velocidad cuenta con un sistema de rebose de aceite a la salida del carter que garantiza que aun cuando no le llegue aceite del sistema centralizado de lubricación, la cantidad de aceite se mantendrá en su nivel correcto.

· Quinta hipótesis: El sistema se quedo sin circulación de aceite

De acuerdo con el estado de taponamiento que presentaban los filtros de aceite del sistema centralizado de lubricación se deduce que el flujo de aceite al reductor de velocidad se interrumpió dando lugar a que el aceite residual que permanece en el carter, garantizado por el sistema de rebose, alcanzara temperaturas del orden de los 120°C, ver tabla No1, las cuales hicieron que la viscosidad del aceite se redujera considerablemente hasta valores que rompieron la película lubricante ocasionando el contacto metal-metal e incrementando los valores de vibración hasta 0,80 mm/s versus 0,40 mm/s; debido a estas condiciones anormales de operación los dientes del piñón y del engranaje perdieron capacidad de carga haciendo que las condiciones de trabajo del material pasaran de la zona elástica a la zona plástica (curva esfuerzo-deformación) originando el flujo plástico y por lo tanto la falla de los dientes de los engranajes lo cual queda evidenciado por la inspección visual realizada a dichos dientes y por la presencia del alto contenido de hierro (Fe) en el aceite que fue de 250 ppm versus 80 ppm. Si se hubiese dejado en operación el reductor de velocidad los dientes se hubieran fracturado y la falla hubiera sido catastrófica. En este tipo de reductores de velocidad es tan importante la lubricación como la refrigeración adecuada de los engranajes y rodamientos.

Causa primaria:

· Los engranajes y rodamientos del reductor de velocidad operaron sin un adecuado enfriamiento.

Causa básica:

· Taponamiento de los elementos filtrantes del sistema centralizado de lubricación.

· Inadecuada lubricación y enfriamiento ocasionados por la falta de flujo de aceite entre el sistema centralizado de lubricación y el reductor de velocidad.

· No existe ninguna señal, alarma ó corte que actué ante el aumento de temperatura en el aceite que se encuentra alojado en el reductor de velocidad. El sistema Bently que monitorea las temperaturas de los rodamientos del reductor de velocidad se encontraba fuera de servicio.

Corto Plazo :

· Garantizar la calidad y el stock de los elementos filtrantes adecuados para el sistema centralizado de lubricación.

· Incluir el cambio de los elementos filtrantes en un programa de Conteo de Partículas según ISO 4406 para determinar el momento en que es necesario cambiarlos; en caso tal de que no se disponga con este tipo de servicio, es necesario garantizar el cambio de dichos elementos filtrantes cada 3 meses.

· Incluir en la ruta diaria de los operadores de la planta el monitoreo y control de las variables claves para la operación del sistema centrali8zado de lubricación.

· Actualizar el manual de funcionamiento del sistema centralizado de lubricación y darle el entrenamiento necesario a los operadores para su operación correcta.

Mediano Plazo :

· Instalación de un "ojo de buey" en la tubería de retorno de aceite al depósito del sistema centralizado de lubricación, para permitirle al operador realizar un chequeo visual del flujo de aceite durante su rutina normal.

· Instalación de un switche de baja presión a la entrada de aceite al reductor de velocidad que de una alarma por baja presión de aceite; esta presión puede estar entre 5 psig y 10 psig.

· Rediseño e instalación de nuevos filtros de aceite que permitan un mayor periodo de tiempo entre cambios y una menor caída de presión.

Los engranajes y rodamientos del reductor de velocidad no pueden operar SIN SISTEMA DE ENFRIAMIENTO DE ACEITE.

Los felicitamos por su interés en los temas de la Lubricación y la Tribología. La respuesta a su pregunta tiene dos respuestas: si el mecanismo opera a altas velocidades, este factor será el más influyente en el logro de la lubricación hidrodinámica y para estos casos se utilizan aceites de baja viscosidad y tanto más baja dependiendo de que tan alta sea la velocidad de funcionamiento; por el contrario, si la velocidad es muy baja, es factible que la lubricación hidrodinámica por velocidad no se logre alcanzar y sea necesario compensar la falta de velocidad con aceites de alta viscosidad, pero entonces se presenta el inconveniente del consumo de energía por fricción fluida en el interior de la película lubricante, que será tanto mayor cuanto mayor sea la viscosidad del aceite, dando lugar a que si se quiere lograr una condición de lubricación hidrodinámica mediante el uso de aceites de alta viscosidad no sea factible desde el punto de vista energético y de las altas temperaturas que se van a presentar en el mecanismo lubricado. En este ultimo caso se considera que la lubricación es EHL, se deben emplear por lo tanto aditivos de EP y la viscosidad del aceite que se debe utilizar se selecciona en el valor optimo que garantice un consumo de energía razonable pero que adicionalmente ayude a formar una película que proteja las superficies lubricadas sin llegar a ser fluida.

La viscosidad es el factor mas importante en el establecimiento de la película hidrodinámica cuando para una velocidad dada se tiene un valor especifico de viscosidad, en este caso, el factor que más impacta la película hidrodinámica es la viscosidad porque es la única variable que hay y si esta se reduce (altas temperaturas, sobrecargas, dilución del aceite por combustible, etc), la condición de lubricación hidrodinámica puede llegar a ser EHL sin que el aceite tenga aditivos EP dando lugar a que se presente el contacto metal-metal y por consiguiente el desgaste adhesivo entre las superficies lubricadas.

Concluyendo, se tiene que el parámetro más importante para que se forme la película hidrodinámica es la velocidad y para que ésta se mantenga es la viscosidad del aceite. Les agradecemos su valiosa colaboración y el material enviado sobre lubricación.