FLUIDOS IGNIFUGOS

Por:

PEDRO ALBARRACIN AGUILLON INGENIERO MECANICO UdeA ENERO 15 DE 2003

MEDELLÍN - COLOMBIA

Este tipo de fluidos se utilizan en sistemas hidráulicos industriales donde se presentan altas temperaturas de operación y pueda existir la posibilidad de que al presentarse una fuga de aceite, éste pueda caer sobre superficies calientes y producir un incendio. Su empleo es obligatorio en sistemas hidráulicos de siderúrgicas, plantas de cemento y refinerías de petróleo.

Los fluidos ignífugos se identifican como fluidos FR y se utilizan básicamente los siguientes tipos de fluidos:

· Emulsiones de aceite en agua (ISO HFA): por lo regular contienen más del 90% de agua. Se emplean muy poco debido a su reducida lubricidad y protección contra la herrumbre.
· Emulsiones de agua en aceite (ISO HFB): se conocen como emulsiones invertidas; contienen normalmente un 40% de agua homogéneamente dispersa en el aceite. Su viscosidad oscila entre los grados ISO 68 y 100. Esta emulsiones son fluidos no newtonianos, lo que hace que su viscosidad en las diferentes partes del sistema hidráulico dependa de la rata efectiva a la cizalladura. Se pueden emplear para temperaturas ambiente entre -10° y 65°C (14° y 149°F) y temperaturas de operación hasta de 65°C (149°F).
· Soluciones de agua y glicol (ISO HFC): están constituidas por un 35 a un 50% de agua (tratada con etilene ó propilene glicol como un anticongelante), mezclada con polyglicoles para proveer la viscosidad y lubricidad apropiadas. Generalmente se producen en un grado ISO 46. Los límites de trabajo están comprendidos entre -25° y 65°C (-13°F y 149°F). Estas soluciones en operación pueden presentar el inconveniente de que se formen gomas y emulsiones en los conductos de circulación de aceite y en las servo-válvulas causando la parada del equipo con los problemas de producción que esto conlleva. Una alternativa a este tipo de problemas es cambiando la emulsión dentro de intervalos de tiempo más reducidos, mejorando el sistema de enfriamiento ó utilizando aceites sintéticos. Cuando se cambie a este tipo de aceites es necesario tener en cuenta el calor específico (Cp) del fluido, ya que en las soluciones de agua y glicol es mayor de 1,0 Btu/lbm.°F y en los aceites sintéticos, máximo de 0,70 Btu/lbm.°F. Esto hace necesario, por lo regular, que cuando se cambie una solución de agua y glicol por un aceite sintético se deba implementar un sistema de enfriamiento adicional en el sistema hidráulico.
· Aceites Sintéticos: para temperaturas de operación entre 30° y 100°C (86° y 212°F) se utilizan los polyalkileneglicoles y entre 100° y 150°C (212° y 302°F) los esteres de fosfato; estos aceites bajo estas condiciones de temperatura garantizan una adecuada lubricación y una excelente resistencia a la oxidación.

En el sistema hidráulico de la válvula de corredera del regenerador de la Cracking en una Refinería de petróleo se está utilizando como fluido hidráulico una solución de agua y glicol (ISO HFC). Este fluido presenta con mucha frecuencia problemas de taponamiento en las servo-válvulas, debido a las emulsiones y gomas que se van formando como resultado del proceso de oxidación de la solución, que hacen que la válvula de corredera no funcione correctamente y sea necesario parar la Cracking, para limpiar el sistema y cambiar el fluido hidráulico, con grandes pérdidas económicas para la empresa. El flujo de la bomba del sistema hidráulico es de 10 gpm (galones por minuto) de aceite, el calor específico (Cp) de la solución de agua y glicol es de 1,01 Btu/lbm.°F, la temperatura de operación del aceite (tomada a la entrada de la servo-válvula) es de 45°C y la temperatura del medio ambiente donde trabaja el sistema hidráulico es de 30°C. El sistema hidráulico no cuenta con enfriadores de aceite, sino que el calor generado se disipa a través de la carcasa del depósito de aceite. Se requiere analizar el problema y optimizar el sistema hidráulico, si es necesario, con el fin de garantizar la respectiva confiabilidad de la planta.

Solución: En el sistema hidráulico de la válvula de corredera, la solución de agua y glicol, debido al alto porcentaje de agua que contiene (cercano al 50%) va formando emulsiones, gomas y finalmente lodos los cuales terminan taponando los conductos de las servo-válvulas haciendo que el sistema hidráulico falle. Para resolver este problema se tienen las siguientes alternativas:

Primera alternativa: un monitoreo periódico a las propiedades físico-químicas del fluido hidráulico constituido por la solución de agua y glicol según las normas ASTM y del nivel de limpieza de dicha solución después del filtro de aceite, según la norma ISO 4406.

Las propiedades físico-químicas que se le deben evaluar a la solución de agua y glicol se seleccionan de la tabla 9.3 (capítulo 9) para fluidos hidráulicos y los valores máximos permisibles para cada una de estas propiedades se hallan en la tabla 9.4. Las propiedades y valores tolerables son los siguientes:

· Viscosidad, cSt/40°C, método ASTM D88. Se permite un incremento máximo en la viscosidad del 10%.
· TAN, mgr KOH/gr.ac.us., método ASTM D664. Se permite un incremento máximo en el TAN con respecto al valor original de 0,5 mgrKOH/gr.ac.us.

El nivel de limpieza del fluido hidráulico, según la norma ISO 4406, se verifica después del filtro con el fin de saber si este elemento está trabajando correctamente. De acuerdo con la tabla 9.5, el fluido hidráulico debe tener un nivel de limpieza 15/13/11; si su nivel de contaminación es mayor que el especificado es porque el filtro no está trabajando correctamente y es necesario reemplazarlo.

La frecuencia de monitoreo al fluido hidráulico de la válvula de corredera puede ser trimestral.

Segunda alternativa: cambiar la solución de agua y glicol por un fluido hidráulico sintético a base de polyalkileneglicol (la temperatura de operación de la solución de agua y glicol de 45°C está en el rango de 30° a 100°C de los polyalkileneglicol); esto evitaría que se formen emulsiones y lodos ya que estos aceites sintéticos no forman este tipo de compuestos cuando se oxidan y las frecuencias entre cambios del aceite y filtro van a ser mucho más amplias que cuando se utiliza la solución de agua y glicol. En este caso es necesario tener en cuenta que el calor específico (Cp) del aceite sintético es menor que el de la solución de agua y glicol, lo cual posiblemente conlleva a la implementación de un sistema de enfriamiento del aceite adicional debido a los mayores requerimientos de evacuación de calor.

En este caso para verificar si se requiere ó no la implementación de un enfriador de aceite se procede de la siguiente manera:

La cantidad de calor total (Q) que está evacuando la solución de agua y glicol es igual a 124.078 Btu/hr. Este calor se calcula de la ecuación Q = mCpDT, donde m es el flujo de aceite y es igual a 10 gpm ó 75,83 lbm/min; Cp es el calor específico de la solución de agua y glicol y es igual a 1,01 Btu/lbm.°F y DT es el incremento de temperatura del aceite con respecto al ambiente y es igual a 15°C ó 27°F (de la diferencia entre 45° y 30°C). Considerando que la relación Q/m es constante e independiente de cualquier tipo de aceite que se utilice y es igual a 27,27 Btu/lbm, se tiene de la ecuación DT = Q/m.Cp, que la temperatura de operación del aceite (Top = Ta + DT) en el sistema hidráulico cuando se utiliza un aceite sintético del tipo polyalkileneglicol es de 55,25°C (con Cp para el aceite sintético igual a 0,60 Btu/lbm.°F y temperatura ambiente de 30°C) y cuando se utiliza un aceite mineral de 65,23°C (con Cp para el aceite mineral igual a 0,43 Btu/lbm.°F y temperatura ambiente de 30°C).

Ya sea que la solución de agua y glicol se cambie por un aceite sintético ó mineral es necesario calcular la cantidad de calor adicional que es necesario evacuar del sistema hidráulico debido a que estos aceites tienen un menor calor específico (Cp). Este calor adicional que es necesario evacuar se calcula de la ecuación Q = mCpDT. Si se utiliza un aceite sintético del tipo polyalkileneglicol, la cantidad de calor adicional que es necesario evacuar es de 50.366,28 Btu/hr (con m igual a 10 gpm ó 75,83 lbm/min, Cp igual a 0,60 Btu/lbm.°F y DT igual a 18,45°F ó 10,25°C de la diferencia entre 55,25°C y 45°C). Si se utiliza un aceite mineral, la cantidad de calor adicional que es necesario evacuar es de 71.240 Btu/hr (con m igual a 10 gpm ó 75,83 lbm/min, Cp igual a 0,43 Btu/lbm.°F y DT igual a 36,41°F ó 20,23°C de la diferencia entre 65,23°C y 45°C).

INGENIEROS DE LUBRICACIÓN LTDA le ofrece a la industria su programa ACTUALIZACION DE LA INFORMACIÓN DE LUBRICACIÓN DE LOS EQUIPOS ROTATIVOS DE LA EMPRESA. Las características de este programa son:

1. DESARROLLO DEL PROGRAMA
· Revisión de la información actual de la lubricación de los diferentes equipos rotativos de la empresa.
· Inclusión de la información de lubricación de aquellos equipos rotativos que no están dentro del programa actual de lubricación. En caso de que la empresa no disponga de esta información se le calculara el lubricante a los equipos que lo requieran.
· Optimización del número de lubricantes utilizados en la empresa de tal manera que se utilice el menor número posible de ellos.
· Análisis de las fortalezas, debilidades y recomendaciones del estado actual de los programas de lubricación correctiva, preventiva, predictiva, proactiva y gestión ambiental en la empresa.

2. ALCANCES DEL PROGRAMA

· Entrega de la totalidad de las cartas de lubricación de cada uno de los equipos rotativos de la empresa, incluyendo la siguiente información: empresa, departamento, planta, sección, equipo, mecanismo, lubricante, grado (ISO, SAE, NLGI), tipo (mineral, sintético), marca, cantidad (galones, gramos), frecuencia (horas, semanas, meses), temperatura de operación, código del color y rótulo metálico con el cual se debe identificar el lubricante. Esta información la empresa la recibe impresa y en CD para su reproducción cuando así lo estime conveniente.
· Un informe sobre las fortalezas, debilidades y recomendaciones que la empresa tiene y debe llevar a cabo respectivamente, en los programas de lubricación correctiva, preventiva, predictiva, proactiva y gestión ambiental.
· Entrega de un software para el manejo de la información de lubricación incluida en las cartas de lubricación de los equipos rotativos de la empresa, ya sea por un usuario específico ó en red. Este programa permite adicionalmente hacer cambios en la lubricación de los equipos, componentes, mecanismos, nombres de lubricantes y en las frecuencias de lubricación.
· Entrega de los siguientes listados: - equipos a los cuales se les debe tomar muestra de aceite periódicamente para su análisis en el laboratorio; - equipos lubricados con aceite a los cuales es necesario colocarles válvulas de drenaje; - equipos a los cuales es recomendable instalarles sistemas de enfriamiento de aceite para reducir su temperatura de operación; - equipos a los cuales se les puede implementar lubricantes sintéticos; - equipos con sistemas de circulación de aceite a los cuales es necesario cambiarles periódicamente el filtro de aceite.
· Recomendaciones sobre el almacenamiento correcto de los lubricantes y diseño de un programa para el re-acondicionamiento (diálisis ó filtración) de los aceites usados en la empresa.
· Número de lubricantes que se deben utilizar y sus equivalencias en otras marcas comerciales.
· Número de aceiteras de un galón de capacidad que se deben utilizar para aplicar los aceites, color con el cual se deben identificar y nombre y grado ISO del aceite.

3. TIEMPO DE DESARROLLO DEL PROGRAMA

· Depende del tipo de proceso industrial.
· Depende del número de equipos rotativos que vayan a estar incluidos en el programa.

4. BENEFICIOS DEL PROGRAMA

· Contar con la información real y actualizada de la lubricación de todos los equipos de la empresa.
· Reducir al máximo el número de lubricantes a utilizar.
· Reducción de los costos de lubricación al utilizar la cantidad precisa de lubricante en cada uno de los mecanismos lubricados.
· Contar con un software para el manejo rápido de la información de lubricación y su actualización de una manera sencilla y en el menor tiempo posible.
· Implementación de manera inmediata de los programas de lubricación correctiva, preventiva, predictiva, proactiva y de gestión ambiental.

5. COSTO DEL PROGRAMA

· Para cotizarle a la empresa esta asesoría se requiere que envíe la siguiente información: nombre de la empresa; ubicación; tipo de proceso industrial; número de equipos rotativos que van a estar incluidos en el programa y si cuenta ó no en la actualidad con un programa preventivo de lubricación.
· Si la empresa está interesada en contar con un software para el manejo de los programas de mantenimiento y lubricación preventiva y predictiva (incluye programación de órdenes de trabajo, horas-hombre, manejo de inventarios, costos, etc) se le pueden enviar las características, costo y un demo del software SIMAN 2000.

CASO DE LA SEMANA ADITIVOS DE EXTREMA PRESION POR REACCION QUÍMICA Y POR UNTUOSIDAD Hace algunos días tuvimos una falla catastrófica en el reductor de velocidad que acciona un molino de bolas en una de nuestras plantas de trituración, y de acuerdo con el análisis de causa raíz (RCA) que hicimos y los comentarios de nuestro proveedor de lubricantes, llegamos a la conclusión que el aceite del tipo Extrema Presión (EP) que utilizamos no fue el correcto, a pesar de que el grado ISO del aceite usado es el que recomienda el fabricante del reductor de velocidad en su catalogo. Quisiéramos saber cuál es la diferencia entre los aditivos EP denominados por reacción química y los EP por untuosidad y cuando se utiliza uno u otro. Triturados del Orinoco CA, Venezuela

A nivel industrial ocurre con mucha frecuencia la falla catastrófica ó el desgaste anormal de elementos de máquinas que trabajan bajo condiciones de lubricación Elasto-hidrodinámicas (EHL) por la utilización de aditivos de Extrema Presión incorrectos, esto es el caso por ejemplo, cuando se requieren utilizar aceites con aditivos EP por reacción química y se utilizan de los de untuosidad ó viceversa, presentándose por lo tanto la falla ó el desgaste prematuro de los mecanismos lubricados. La diferencia fundamental entre estos dos tipos de aditivos es la siguiente: Por reacción química: Estos aditivos se absorben sobre las rugosidades de las superficies metálicas formando una película sólida que impide el contacto metal-metal reduciendo al máximo el desgaste adhesivo; se utilizan cuando la temperatura en las superficies metálicas de máxima fricción (punto donde se deforman elásticamente las rugosidades de las dos superficies metálicas por efecto de la carga en el momento de interactuar) es superior a los 120°C; en mecanismos que se encuentren operando, debido a la imposibilidad de medir la temperatura del punto de interacción, se toma como temperatura de referencia para utilizar este tipo de aditivos, la del carter ó depósito donde se encuentra alojado el aceite y debe ser mayor de 50°C. Debido a su polaridad u oleaginosidad, las moléculas del aditivo de EP por reacción química se orientan a sí mismas con la cabeza polar adherida a la superficie metálica conformando lo que se conoce como película límite; un gran número de moléculas se compactan entre sí, fortaleciendo la película límite mediante fuerzas cohesivas laterales lo cual permite que la película sólida que se forma tenga la habilidad de resistir la penetración de las asperezas, evitando así el contacto metal-metal y proporcionando una baja fuerza de corte que da lugar a un bajo consumo de energía. La película protectora que se forma es efectiva mientras se conserve sólida. Los aditivos EP por reacción química se clasifican en tres generaciones dependiendo del tipo de sustancia química utilizada en su formulación. Los de primera generación datan de los años 50´s y las sustancias más utilizadas son los esteres clorados (Cl), la manteca de cerdo sulfurada (S) y el tricresilfosfato (P). Los de segunda generación fueron desarrollados a finales de los años 60´s y se denominan de película sólida, siendo los más importantes el bisulfuro de molibdeno, el grafito, el tungsteno, el teflón y el boro. Los de tercera generación se desarrollaron en la década de los años 70´s y son del tipo órgano metálico, los cuales reaccionan con las rugosidades de las superficies metálicas recubriéndolas y cuando dichas rugosidades se deforman elásticamente por la acción de la carga, liberan átomos metálicos que eutécticamente bajan el punto de fusión de las crestas más sobresalientes de las rugosidades haciendo que se deformen plásticamente y llenen los valles adyacentes de las irregularidades. Por untuosidad: Estos aditivos pertenecen al grupo de los de primera generación y se utilizan cuando la temperatura en la superficie del carter donde se encuentra alojado el mecanismo lubricado es menor ó igual a los 50°C. Estos aditivos son compuestos de origen animal y vegetal, son solubles con el aceite y presentan una fuerte polaridad, permitiendo que sus moléculas queden adheridas como los pelos de una alfombra a las superficies metálicas mediante fuerzas de tipo electrostático e incluso químicas, que impiden que dichas superficies metálicas, a pesar de estar juntas lleguen a tocarse. Estos aditivos no tienen ninguna importancia bajo condiciones de lubricación fluida y las características de untuosidad de un aceite EP son independientes de su viscosidad. Los aditivos de EP por reacción química no se adhieren a las superficies metálicas cuando la temperatura del carter es menor de 50°C y los de untuosidad cuando es mayor de 50°C, por lo tanto bajo condiciones de lubricación EHL es muy importante tener en cuenta la temperatura a la cual trabaja el aceite en el carter del mecanismo. El tipo de aditivos EP que contiene un aceite aparecen en el catálogo del fabricante del lubricante.